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Aus der Einleitung: Problemstellung: In der Vergangenheit war das Risikomanagement der Banken überwiegend auf die isolierte Betrachtung einzelner Risikoarten, Unternehmensbereiche und Regionen ausgerichtet, die aus Sicht der Gesamtbanksteuerung zu Fehlentscheidungen führen könnte. Die Finanzkrisen der letzten Jahre haben gezeigt, dass verschiedene Risikoarten häufig nicht allein, sondern fast gleichzeitig zusammen auftauchen und durch gegenseitige Wechselwirkungen die Situation gemeinsam beeinflussen. Risikomanagement ist daher nicht nur auf der Einzelgeschäftsebene bzw. Geschäftsfelderebene, sondern auch auf der Gesamtbankebene zu integrieren. Mit der Tendenz zur Globalisierung, schwacher Konjunktur, verschärftem Wettbewerb und Kostendruck erfährt der Markt der Kreditinstitute seit einiger Zeit einen strukturellen Wandel. Neue strategische Ausrichtungen und neue Geschäftsmodelle wurden von den Kreditinstituten durchgesetzt, um sich der Dynamik des Finanzmarktes anzupassen. Eng damit verbunden ist, dass die Bankgeschäfte komplizierter und risikoreicher geworden sind. Als Konsequenz entwickeln sich die Banken zunehmend vom "Risk Taker" zum "Risk Manager". Das aktive Risikomanagement führt das Risiko-Rendite-Kalkül vorher durch, so dass die Kapitalressourcen in vorteilhaften Geschäften, die eine höhere risikoadjustierte Performance haben, angelegt werden. Im Rahmen der Gesamtbanksteuerung wird gleichzeitig das Gesamtbankportfolio optimiert und der gesamte Ertrag maximiert. Davon ausgehend ist es sinnvoller, Risikomanagement und Rentabilitätsmanagement enger miteinander zu verknüpfen und ganzheitlich zu steuern. Ein Kreditinstitut ist hinsichtlich der entstehenden Risiko-/Ertragsbeziehungen als Gesamtportfolio aller Einzelgeschäfte zu betrachten und steuern. Das Gesamtbankportfolio besteht aus verschiedenen Komponenten, die gleichzeitig durch verschiedene Risikoarten beeinflusst werden. Das Risikomanagement, das durch integrierte Betrachtung der verschiedenen Risikoarten geprägt und auf Optimierung des Gesamtbankportfolios ausgerichtet ist, ist daher unabdingbar für die Gesamtbanksteuerung. Vor diesem Hintergrund konzentrieren viele Banken sich zunehmend auf die Entwicklung und Umsetzung integrierter Risikomanagementansätze, die die verschiedenen Risikoarten und die Gesamtheit aller organisatorischen Einheiten in den übergreifenden Prozess der Risikoidentifikation, -bewertung und -steuerung einbeziehen. Risikomanagement kann nur zum Erfolg führen, wenn es aus dem Blickwinkel der Gesamtbanksteuerung sämtliche Prozesse ganzheitlich betrachtet. Das integrierte Risikomanagement gewinnt an Bedeutung sowohl für das Überleben und Entwicklung des Kreditinstituts als auch für die Erfüllung der aufsichtsrechtlichen Forderungen an die Risikobegrenzung. Mit den zunehmenden Anforderungen der nationalen und internationalen Bankenaufsicht bezüglich des Risikomanagements stehen die Kreditinstitute in einem Spannungsfeld, in dem sowohl die Anforderungen der modernen Bankbetriebswirtschaft als auch die Anforderungen der Bankenaufsicht erfüllt werden müssen. Im Zusammenhang mit Basel II wird gefordert, dass bei der Eigenkapitalausstattung die insgesamt übernommenen Risiken der Bank berücksichtigt und gemessen werden müssen, die entsprechende Risikovorsorge für den Erhalt des Eigenkapitalniveaus getroffen werden muss und die Risikotragfähigkeit laufend sicherzustellen ist. Um Basel II und die MaRisk umzusetzen, haben die Kreditinstitute in den letzten Jahren eine Vielzahl von internen Verfahren der Risk-/Return-Steuerung eingeführt. Die Konsolidierung dieser Verfahren und die Weiterentwicklung des Risikomanagements zu einer integrierten Gesamtbanksteuerung stellt eine zentrale Herausforderung für die nächsten Jahre dar. Vorstellung des Inhalts der Arbeit: In dieser Arbeit wird es zunächst auf die relevanten Bankenaufsichtsrechtlichen Anforderungen und die Umsetzung von Basel II und der MaRisk hinsichtlich des Risikomanagements im Rahmen der Gesamtbanksteuerung eingegangen. Anschließend werden die Grundsätze des Risikomanagements dargestellt und die drei zentralen Aufgaben bei der integrierten Umsetzung des Risikomanagements im Rahmen der Gesamtbanksteuerung, nämlich Risikoaggregation, Risikokapitalallokation und Risikotragfähigkeit, unter Berücksichtigung der aufsichtsrechtlichen Anforderungen behandelt. Danach wird das bankinterne Risikomanagement von zwei mittelständischen Banken in Deutschland, nämlich der Commerzbank und der Landesbank Baden-Württemberg, dargestellt. Dadurch werden der Stand des Risikomanagements in der Praxis und die Umsetzung neuen aufsichtsrechtlichen Anforderungen in Deutschland beleuchtet. Am Ende der Arbeit wird der Banksektor in China, der in der letzten Zeit durch unfangreiche Reformen und rasantes Wachstum gekennzeichnet wird, vorgestellt.Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis: 1.Einleitung1 1.1Problemstellung1 1.2Vorstellung des Inhalts der Arbeit2 2.Bankenaufsicht als Rahmenbedingung von Risikomanagement4 2.1Basel II4 2.1.1Überblick Basel II4 2.1.2Säule I: Mindesteigenkapitalanforderungen5 2.1.3Säule II: Aufsichtsrechtliches Überprüfungsverfahren6 2.1.4Säule III: Stärkung der Marktdisziplin und Offenlegung7 2.2MaRisk7 2.2.1Überblick MaRisk7 2.2.2Zentrale Anforderungen im Rahmen der Gesamtbanksteuerung8 2.2.2.1Risikotragfähigkeit8 2.2.2.2Risikocontrolling9 2.3Auswirkungen und Entwicklungen der aufsichtsrechtlichen Anforderungen10 3.Risikomanagement bei der risiko-/ertragsorientierten Gesamtbanksteuerung14 3.1Anforderungen des Risikomanagements bei der risiko-/ertragsorientierten Gesamtbanksteuerung14 3.2Grundsätze des Risikomanagements16 3.2.1Risikokategorien im Überblick17 3.2.2Risikopolitik19 3.2.3Phasen des Risikomanagements20 3.3Risikoaggregation bei der risiko-/ertragsorientierten Gesamtbanksteuerung24 3.3.1Notwendigkeit der Risikoaggregation24 3.3.2Value-at-Risk-basierte Risikomessung25 3.3.2.1Grundgedanke der VaR-Ansätze25 3.3.2.2Merkmale der VaR-Ansätze26 3.3.2.3VaR und ökonomisches Eigenkapital27 3.3.3Ansätze zur Risikoaggregation30 3.3.3.1Varianz-Kovarianz-Verfahren30 3.3.3.2Copula-Verfahren31 3.4Risikokapitalallokation der risiko-/ertragsorientierten Gesamtbanksteuerung32 3.4.1Zieldarstellung für die risikoadjustierte Performance Messung33 3.4.2RAPM-Kennzahlen34 3.4.3Anwendung der RAPM-Kennzahlen bei der Risikokapitalallokation37 3.5Risikotragfähigkeit im Rahmen der Gesamtbanksteuerung39 3.5.1Bestimmung der Risikodeckungsmasse40 3.5.1.1Risikodeckungspotential40 3.5.1.2Abgrenzung der Risikodeckungsmassen42 3.5.2Ermittlung der Gesamtbankrisiken44 3.5.3Risikotragfähigkeitsanalyse45 3.5.3.1Risikotragfähigkeitskalkül45 3.5.3.2Szenariobetrachtung46 3.5.4Aufteilung der Risikodeckungsmasse auf Risikoarten und Geschäftsbereiche46 4.Risikomanagement am Beispiel der Commerzbank und der Landesbank Baden-Württemberg48 4.1Risikomanagement der Commerzbank48 4.1.1Profil48 4.1.2Konzernrisikostrategie48 4.1.3Risikosteuerungsgröße50 4.1.4Risikotragfähigkeit51 4.1.5Umsetzung der aufsichtsrechtlichen Anforderungen52 4.1.6Risikomanagement der ausgewählten Risikoarten53 4.1.6.1Adressenausfallrisiken53 4.1.6.2Markpreisrisiken56 4.1.6.3Operationelle Risiken57 4.1.7Zwischenfazit57 4.2Risikomanagement der Landesbank Baden-Württemberg (LBBW)58 4.2.1Profil58 4.2.2Risikopolitik58 4.2.3Risikotragfähigkeit59 4.2.4Umsetzung der aufsichtsrechtlichen Anforderungen60 4.2.5Zwischenfazit61 4.3Vergleich zwischen Commerzbank und LBBW61 5.Banken in China65 5.1Überblick über Chinas Banksektor65 5.2Schwäche des Risikomanagements in Chinas Banksektor67 5.3Bankregulierung in China70 5.4Zwischenfazit71 6.Fazit73 Anhangverzeichnis74 Literaturverzeichnis83Textprobe:Textprobe: Kapitel 3.3, Risikoaggregation bei der risiko-/ertragsorientierten Gesamtbanksteuerung: Notwendigkeit der Risikoaggregation: Das Risikomanagement erfolgt häufig isoliert für einzelne Unternehmenseinheiten, denen jeweils geschäftsspezifische Risikomessungsverfahren mit unterschiedlichen Modellannahmen und –parametern zugrunde liegen. Die risiko-/ertragsorientierte Gesamtbanksteuerung verlangt eine integrierte Risikomessung, durch die das Gesamtrisikoprofil aus unterschiedlichen Risikoarten ermittelt werden kann. Ferner ist das Gesamtrisiko der Bank durch eine adäquate Aggregation der einzelnen Risikobeiträge möglichst genau zu quantifizieren, weil das Gesamtrisiko Grundlage für die Gewährleistung der Risikotragfähigkeit ist. Einerseits muss eine Bank immer über ausreichendes Eigenkapital verfügen, um auftretende Verluste, die hauptsächlich durch das Gesamtrisiko dargestellt werden, abzudecken. Andererseits muss die Bank immer überwachen, ob das Gesamtrisiko die Obergrenze des Limits überschreitet. Außerdem ist das Gesamtrisiko Basis für die Berechnung des Rendite-Risiko-Verhältnisses. Daher muss sich ein Risikomaß im Sinne einer integrierten gesamtbankweiten Risikomessung gleichermaßen zur Quantifizierung aller relevanten Risiken eignen. Das verbreitetste Risikomaß ist in der Praxis der Value-at-Risk (VaR). Auf Grund der besseren Vergleichbarkeit der Messergebnisse zwischen Risikoarten und Geschäftsbereichen werden mathematisch-statistische Verfahren, wie z.B. das Value-at-Risk-Verfahren, zunehmend durchgesetzt. Die Szenarioanalyse mit ihren Charakteristika geringen Informations- und Aufwandsbedarfs wird als notwendige Ergänzung der Risikosteuerung gefordert. Value-at-Risk-basierte Risikomessung: Grundgedanke der VaR-Ansätze: Im Rahmen der mathematisch-statistischen Verfahren hat sich bei der Betrachtung von Marktpreis- und Kreditrisiken in den letzten Jahren überwiegend eine Quantifizierung durch Value-at-Risk-Verfahren in der Bankpraxis durchgesetzt. Der VaR wird aus der regulatorischen Sicht, z.B. von Basel Committee, als Benchmark für die Risikomessung angewendet, weil er Grundlage des bankinternen Modells der Risikomessung bildet. Das Risiko resultiert normalerweise aus der Veränderung der Marktverhältnisse, die nicht von vornherein erkannt, aber als Zufallsvariable aufgefasst werden kann. Durch ein geeignetes Verfahren können eine Wahrscheinlichkeitsverteilung und ein Quantil bestimmt werden. Daraus ergibt sich, welchen Wert die Zufallvariable mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit maximal erreicht oder nicht überschreitet. Dieser Wert wird durch den Value-at-Risk dargestellt. Der Value-at-Risk stellt den höchsten möglichen Verlust dar, der mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit (Konfidenzniveau) innerhalb einer bestimmten Periode (Haltedauer) nicht überschritten wird. Bezogen auf das Gesamtbankportfolio beschreibt der VaR das maximale Verlustpotential für den Marktwert des Eigenkapitals einer Bank. Das VaR-Modell quantifiziert das Risiko nach zuvor definierten Parametern, im Wesentlichen das gewünschte Sicherheitsniveau (Konfidenzniveau) und die Haltedauer der betrachteten Risikopositionen. Die Wahl dieser beiden Parameter ist maßgeblich abhängig vom Verwendungszweck des zu ermittelnden VaR-Werts. In der Commerzbank und Landesbank Baden-Württemberg z.B. wird der VaR von Marktpreisrisiken unter einem Konfidenzniveau von 99% und einer Haltedauer von zehn Tage ermittelt, während das Gesamtrisiko mittels VaR unter einem Konfidenzniveau von 99,95% und einer Haltedauer von einem Jahr bestimmt wird. Das höhere Konfidenzniveau bei der Ermittlung des Gesamtrisikos kann die Risikotragfähigkeit der Bank mit ausreichender Sicherheit gewährleisten. Die kürzere Haltedauer bei Ermittlung der Marktpreisrisiken sichert die frühzeitige Erkennung von Änderungen der Marktsituation ab. Zur Berechnung des VaR können die historische Simulation, der Varianz-Kovarianz-Ansatz und die Monte-Carlo-Simulation in der Praxis zumeist angewendet werden. Die Analyse der vorhandenen Risikostruktur im Zusammenhang mit der Festlegung der Risikofaktoren bildet dabei die Grundlage der Berechnung. Unabhängig von der Wahl der genannten Methoden muss die Vergleichbarkeit des VaR zwischen den Risikoarten hinsichtlich Konfidenzniveau und Haltedauer sichergestellt werden. Um das Gesamtrisiko zu ermitteln, werden hauptsächlich Markt-, Kredit- und operationelle Risiken, gelegentlich auch Geschäftsrisiken, aggregiert. Diese Risiken unterliegen unterschiedlichen Verteilungen und verschiedenen Risikofaktoren. Bei der Zusammenführung der VaR-Größen für die einzelnen Risikoarten sind die Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Risikoarten und die Korrelationen innerhalb der Risikoarten und zwischen ihnen zu berücksichtigen. Außerdem erfordern die Prozesse der Risikoaggregation eine Vereinheitlichung zwischen den verschiedenen Geschäftssegmenten innerhalb einer Bank bzw. eines Konzerns.

The objective of the EU Timber Regulation (EUTR), enforced since March 2013, is for importers and exporters to commit to reducing the risk of trading timber products from illegal sources in the EU. EUROSTAT time series on monthly trade with wood products from January 1988 to August 2016 were used to monitor the law's impact. The time series, subdivided into sections before and after the implementation of EUTR, were investigated in time and frequency domains. The analyses in the time domain indicated the adequateness of the AR (1) and ARMA (1, 1) models. As the confidence intervals for their estimates before and after EUTR do not overlap, the respective time series are considered as different and the influence of EUTR legislation probable (also confirmed by the significant models with EUTR as intervening event). Long term variation of the monthly time series (March 2013 to August 2016) show an increasing linear trend for all wood products and for wood products with tropical woods excluded. Since EU imports of tropical wood were falling before EUTR, the stagnant imports thereafter are judged as uncertainty and time the markets need to adapt to a new legislative situation. The analyses in frequency domain based on inference from periodogram revealed cycles of 3, 4, 6 and 12 months, except for time series of tropical wood imports after EUTR. If cycles are thought of as inherent to import time series, this lack in tropical wood imports can be an indication of a 'wait-and-see' attitude of importers as a consequence of EUTR. ; Die Europäische Holzhandelsverordnung (EUTR) trat im März 2013 in Kraft. Diese Verordnung zielt darauf ab, die Verpflichtung der Marktteilnehmer in der EU zur Vermeidung des Holzhandels aus illegalen Quellen zu stärken. Um die Auswirkungen von EUTR auf Holzhandel zwischen Europa und nichteuropäischen Ländern bewerten zu können, wurden, auf EUROSTAT Daten basierend, umfangreiche Zeitreihenanalysen für den Zeitraum vom Januar 1988 bis August 2016 durchgeführt. Die Zeitreihen wurden sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich untersucht. Dabei zeigte sich, dass zur mathematisch-statistischen Modellierung der monatlichen Handelsmengen mit Holzprodukten autoregressive AR(1) bzw. Autoregressiv-Moving-Average Modelle ARMA(1, 1) adäquat sind. Die Analyse der partitionierten Abschnitte der Zeitreihen vor und nach Inkrafttreten der EUTR ergab statistisch signifikante Unterschiede, so dass der Einfluss der Holzhandelsverordnung als Interventionseffekt im Holzhandel als wahrscheinlich erachtet wird. Wichtig ist allerdings, dass der Holzhandel wegen EUTR keine quantitativen Einbrüche verzeichnet: der Handel mit allen Holzprodukten weist sogar einen positiven, linearen Trend ab März 2013. Da die Importe der tropischen Holzprodukte vor dem Inkrafttreten der EUTR rückläufig waren, kann die Stagnation des Holzhandels mit den tropischen Holzprodukten nach EUTR auf eine Unsicherheit der Marktteilnehmer und eine Art von 'wait-and-see' Verhalten hindeuten. Festgestellt wurde auch eine auffällige Veränderung der Zeitreihen im Frequenzbereich: die vor EUTR deutliche 3, 4, 6 und 12 monatliche Zyklen bei Importmengen aus den tropischen Ländern konnten in den Zeitreihen nach Inkrafttreten der EUTR nicht mehr nachgewiesen werden.

Die Europäische Holzhandelsverordnung (EUTR) trat im März 2013 in Kraft. Diese Verordnung zielt darauf ab, die Verpflichtung der Marktteilnehmer in der EU zur Vermeidung des Holzhandels aus illegalen Quellen zu stärken. Um die Auswirkungen von EUTR auf Holzhandel zwischen Europa und nichteuropäischen Ländern bewerten zu können, wurden, auf EUROSTAT Daten basierend, umfangreiche Zeitreihenanalysen für den Zeitraum vom Januar 1988 bis August 2016 durchgeführt. Die Zeitreihen wurden sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich untersucht. Dabei zeigte sich, dass zur mathematisch-statistischen Modellierung der monatlichen Handelsmengen mit Holzprodukten autoregressive AR(1) bzw. Autoregressiv-Moving-Average Modelle ARMA(1, 1) adäquat sind. Die Analyse der partitionierten Abschnitte der Zeitreihen vor und nach Inkrafttreten der EUTR ergab statistisch signifikante Unterschiede, so dass der Einfluss der Holzhandelsverordnung als Interventionseffekt im Holzhandel als wahrscheinlich erachtet wird. Wichtig ist allerdings, dass der Holzhandel wegen EUTR keine quantitativen Einbrüche verzeichnet: der Handel mit allen Holzprodukten weist sogar einen positiven, linearen Trend ab März 2013. Da die Importe der tropischen Holzprodukte vor dem Inkrafttreten der EUTR rückläufig waren, kann die Stagnation des Holzhandels mit den tropischen Holzprodukten nach EUTR auf eine Unsicherheit der Marktteilnehmer und eine Art von 'wait-and-see' Verhalten hindeuten. Festgestellt wurde auch eine auffällige Veränderung der Zeitreihen im Frequenzbereich: die vor EUTR deutliche 3, 4, 6 und 12 monatliche Zyklen bei Importmengen aus den tropischen Ländern konnten in den Zeitreihen nach Inkrafttreten der EUTR nicht mehr nachgewiesen werden. ; The objective of the EU Timber Regulation (EUTR), enforced since March 2013, is for importers and exporters to commit to reducing the risk of trading timber products from illegal sources in the EU. EUROSTAT time series on monthly trade with wood products from January 1988 to August 2016 were used to monitor the law's impact. The time series, subdivided into sections before and after the implementation of EUTR, were investigated in time and frequency domains. The analyses in the time domain indicated the adequateness of the AR (1) and ARMA (1, 1) models. As the confidence intervals for their estimates before and after EUTR do not overlap, the respective time series are considered as different and the influence of EUTR legislation probable (also confirmed by the significant models with EUTR as intervening event). Long term variation of the monthly time series (March 2013 to August 2016) show an increasing linear trend for all wood products and for wood products with tropical woods excluded. Since EU imports of tropical wood were falling before EUTR, the stagnant imports thereafter are judged as uncertainty and time the markets need to adapt to a new legislative situation. The analyses in frequency domain based on inference from periodogram revealed cycles of 3, 4, 6 and 12 months, except for time series of tropical wood imports after EUTR. If cycles are thought of as inherent to import time series, this lack in tropical wood imports can be an indication of a 'wait-and-see' attitude of importers as a consequence of EUTR.

Dieser Beitrag thematisiert das neue Schweizer Schuleingangsmodell der "Grundstufe" resp. der "Basisstufe". Ausgehend von seiner Präsentation, der Darstellung des aktuellen Forschungsstandes und der laufenden Diskussion werden theoretische Überlegungen zu bildungspolitischen Relevanzforderungen angestellt, die insbesondere zur 'Verschulung' des bisher 'bildungsfreien' Vorschulraums vorliegen und aufgrund fehlender bildungstheoretischer Grundlagen unterschiedliche Vorstellungen über Ziele und Inhalte geradezu provozieren. Hinsichtlich der Umsetzung des Modells müssen deshalb Realisierungsprobleme erwartet werden, die sich unter anderem im früher als bisher erlaubten Kompetenzerwerb in Lesen und Mathematik artikulieren. Vorgestellt wird das Forschungsdesign einer empirischen Studie, die die politikrelevante These prüft, welche Kinder wann, wie und unter welchen Bedingungen lesen und rechnen lernen und welche Auswirkungen damit auf ihre persönliche Entwicklung und auf die anderer Kinder der Klasse verbunden sind. (DIPF/Orig.) ; The author discusses the new Swiss model of school entrance, the "ground level" or "basic level". On the basis of its presentation, of on outline of the state of the art in research and of the ongoing discussions, the author presents theoretical considerations regarding the demand for educationalpolitical relevance which have been formulated especially with regard to the integration of the, until now rather "educational-free", field of the pre-school into the school system and which have, due to a lack of educational-theoretical fundamental principles, provoked diverse conceptions of its aims and content. Therefore, problems have to be expected regarding the realization and implementation of this model, - problems, for instance, in the field of the much earlier acquisition of reading and mathematical competences. The research design of an empirical study is outlined which examines the politically relevant question of when, how, and under what circumstances which children learn how to read and count and which consequences this has on their individual development and on that of other children in the class. (DIPF/Orig.)

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3058-0 (ISSN 2512-5141). ; Die Technologien und Anwendungsgebiete für UAV und kleine Nutzflugzeuge haben im zivilen Bereich in letzter Zeit eine rasante Entwicklung erfahren. Da der Betrieb dieser Systeme mit erheblichen Sicherheitsrisiken für den Luftverkehr verbunden ist, wird für die Soft- und Hardwareentwicklung der erforderlichen komplexen und sicherheitskritischen Avioniksysteme ein Prozess benötigt, der eine vergleichbare Zuverlässigkeit wie die für die Entwicklung von CS-25-Flugzeugen gebräuchlichen Methoden bietet. Dafür werden detaillierte, aber dennoch echtzeitfähige Simulationsmodelle benötigt, die die spezifischen Besonderheiten dieser kleineren Luftfahrzeuge berücksichtigen, die häufig der CS-23-Kategorie zuzuordnen sind. Solche spezialisierten Modelle sind wegen des üblicherweise auf klassischen Nachweismethoden beruhenden Entwicklungsprozesses und der bisher geringen wirtschaftlichen Bedeutung dieser Flugzeugklasse kaum verfügbar. Die hierzu benötigten Modellierungsansätze haben sich auf Komponentenebene in anderen Anwendungsbereichen zwar prinzipiell etabliert, ihre Integration in eine systemdynamische Echtzeitflugsimulation ist aber in der Regel nicht trivial. Der wissenschaftliche Beitrag der Arbeit betrifft diesen Integrationsprozess und die damit verbundenen Herausforderungen und erforderlichen Maßnahmen, die neben einer effizienten Implementierung u.a. die Ableitung quasistationärer Ersatzmodelle für hochfrequente Teildynamiken und die effiziente numerische Behandlung unstetiger und nichtlinearer Phänomene betreffen. Dabei müssen spezifische Merkmale kleiner Nutzflugzeuge berücksichtigt werden, die eine direkte Übertragung entsprechender Modelle aus dem CS-25-Bereich oder militärischen Anwendungen ausschließen. Ein Beispiel für die Simulation eines solchen Nutzflugzeuges stellt das flugmechanische Modell dar, das für das Motorsegelflugzeug STEMME S15 zur Entwicklung eines hochdynamischen, vollauthoritären automatischen Flugsteuerungssystems aufgebaut wurde. Das Modell zeichnet sich durch sehr detaillierte und feingranulare Ansätze bei der Modellierung verschiedener Teilsysteme (Aerodynamik, Triebwerk, Geländemodell, Fahrwerk, Aktuatorik, Sensorsysteme, etc.) aus, die im Rahmen eines Überblicks skizziert werden. Eine detaillierte Darstellung aller Einzelheiten der Modellbildung und der Implementierung im Rahmen der Echtzeitsimulation erfolgt exemplarisch für die Aktuatorik und das Fahrwerk. Bei den eingesetzten Aktuatoren handelt es sich um rotatorische, elektromechanische Stellantriebe mit Wellgetriebe (HDT, Harmonic Drive Transmission), die über ein mechanisches Steuergestänge mit den Stellflächen verbunden sind. Das Fahrwerk ist als nicht einziehbares, gummibereiftes Dreibeinfahrwerk ausgeführt. Für die Stoßdämpfung werden neben der natürlichen Strukturelastizität Elastomerfederpakete eingesetzt. Die Bugradlenkung erfolgt mit Hilfe von Steuerseilen. Ein besonderes Augenmerk bei der Modellbildung liegt auf nichtlinearen Eigenschaften und Störeinflüssen des mechanischen Übertragungsweges, der Nachgiebigkeit der Ansteuerung sowie der Strukturelastizität und Seitenführungsdynamik des Fahrwerks. Diese Effekte können Verhalten und Leistungsfähigkeit des Regelungssystems maßgeblich beeinflussen. Für beide Teilsysteme wird die mathematische Modellbildung, die Implementierung und die Parameterbestimmung in einer Ausführlichkeit beschrieben, die die Ergebnisse für den Fachmann nachvollziehbar macht. Die entwickelten Teilmodelle werden zunächst einzeln durch speziell darauf ausgelegte Experimente validiert. Anschließend wird die erfolgreiche Integration in die echtzeitfähige Gesamtsimulation anhand von ausgesuchten Fallstudien dokumentiert. Die gewählten Beispiele demonstrieren den Nutzen für den Entwicklungsprozess und die Relevanz der detaillierten Modellbildung. Abschließend werden die erreichten Ergebnisse zusammengefasst, Verbesserungspotentiale aufgezeigt und weiterführende Fragestellungen angesprochen. ; New civil applications for UAV and smaller utility aircrafts have been rapidly unclosed by recent advances in UAV-Technology. The operation of these systems implies a considerable safety risk. For the soft- and hardware development of the complex and safety critical avionic systems involved a process is required, which is able to guarantee a comparable reliability like methods used for the development of CS-25 aircraft. This calls for detailed, but still real time capable simulation models, which adequately account for the characteristics of these smaller aircraft typically attributed to the CS-23 category. Such models are rarely available yet, due to the still minor commercial relevance of this aircraft class, as well as the common development process, which primary relies on classical verification methods based on experimental and calculative evidence. The required modelling approaches on a component level are established in other applications. However, their integration into system dynamical real-time flight simulation is seldom trivial. The contribution of this work concerns this integration process. Challenges and methods are addressed, comprising not only an efficient implementation, but also the derivation of analogous quasi stationary models for higher frequency sub dynamics as well as numerical methods able to cope with discontinuous and nonlinear model behavior. Specific attributes of CS-23-type aircraft have to be considered though, impeding a direct reuse of equivalent models common for CS-25 and military aircrafts. The flight mechanical model which has been established for the motor glider STEMME S15 in order to enable the development of a high bandwidth, full authority automatic flight control system can be considered as a representative example for the simulation of such small utility aircraft. The model is characterized by a high level of detail applied for the modelling of various subsystems (aerodynamics, power plant, ground model, landing gear, actuation and sensor systems, etc.) which will be outlined in a general overview. The modelling approaches for the actuators and the landing gear as well as their implementation into the real time simulation will be exemplified in all detail. The actuators employed may be characterized as rotative electro mechanic servo motors equipped with a harmonic drive transmission (HDT). They are linked to the control surfaces by means of a mechanical control rod assembly. The undercarriage is designed as non-retractable tricycle gear with pneumatic rubber tires. Suspension is provided by elastomer pads in addition to the natural structural elasticity. Control cables are used to steer the nose gear. During modelling, special attention has been payed to the mechanical transmission path being prone to various nonlinear parasitic effects, as well as to the control weakness, structural elasticity and slippage characteristics of the landing gear. These effects may significantly influence the control system behavior and performance. The mathematical modelling approach, the implementation as well as the parameter determination is described in a level of detail allowing the results to be followed and reproduced by the experts. The developed sub models will first be individually validated by experiments specifically designed for that purpose. Afterwards the successful implementation in the real-time flight simulation of the entire aircraft will be documented using selected case studies. These examples greatly demonstrate the benefit to the FCL\footnote{Flight Control Laws} development process as well as the relevance of the detailed modelling concepts chosen. Finally the achievements will be summarized and potential improvements as well as subsequent research topics will be identified. ; BMWi, 20F0603, LAPAZ – Automatisches Flugsteuerungssystem für Luftarbeitsflugzeuge ; BMWi, 20F0603A, LAPAZ 2 – Erweiterung des Flugsteuerungssystems um die Funktionalität Böenlastabminderung und ATOL

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Berechnung der flächenhaften Verteilung von Luftverunreinigungen. Atmosphärische Ausbreitungsmodelle modellieren die Verteilung von Gasen oder Partikel anhand mathematisch formulierbarer Wirkmechanismen. Messergebnisse von Luftverunreinigungen werden nur zur Validierung der berechneten Verteilung, bzw. zur Modellentwicklung eingesetzt. Jedoch ist die Verwendung vieler, gut verteilter Messdaten als Modelleingabe die einzige Möglichkeit, die tatsächlich existierende Verteilung der gesuchten Komponente zu berücksichtigen. Mit einem Netz von Passivsammlern kann eine solche Verteilung kostengünstig und zeitgleich erhoben werden. Im Rahmen des UNOPS-Projekts "Preliminary Assessment of Ambient Air Quality in Cyprus" wurde an 270 Punkten NO2 Passivsammler in sechs Messkampagnen exponiert. Auf diese Weise entstand eine gute Datenbasis für die Entwicklung einer Methode, mit der man die tatsächlich gemessene Verteilung von Luftverunreinigungen berücksichtigen kann. Darüber hinaus sollte man bei einem realitätsnahen Modell die wichtigsten Einflüsse, wie etwa die Bevölkerungsdichte oder die Emissionsverteilung miteinbeziehen. Gegenwärtig erfüllen drei Verfahren diese Anforderungen: Regressionsmodelle, Interpolation und Künstliche Neuronale Netze. Künstliche Neuronale Netze sind derzeit die einzige Möglichkeit, ein Modell unter Berücksichtigung der obengenannten Kriterien zu entwickeln. Der heute meistverwendete Netzwerktyp im Bereich Luftqualitätsmodellierung ist das sogenannte "Multilayer Perceptron", das auch im Rahmen dieser Arbeit zum Einsatz kam. Im Trainingsmodus wurde ein sogenannter kontrollierter Lernalgorithmus verwendet, bei dem der Anwender das Netz mit Ein- und bekannten Ausgangsvariablen, also Luftverunreinigungsmessungen trainiert. Die Aufgabe des neuronalen Netzes ist das Erlernen der zumeist nichtlinearen Zusammenhänge zwischen Ein- und Ausgabe. Zu diesem Zweck wurde ein Analysegitter mit 1x1 km Kantenlänge über das Untersuchungsgebiet Zypern gelegt und jeder Gitterzelle wurden die entsprechenden Eingabevariablen, wie etwa die UTM-Koordinaten zugeordnet. Bei den Gitterzellen mit Passivsammlern konnten die Zusammenhänge zwischen Eingabe und Ausgabe ermittelt und anschließend auf alle anderen Zellen übertragen werden. Im Laufe der Entwicklung wurden alle verfügbaren Variablen in uni- und multivariaten Modellen getestet. Mit den UTM-Koordinaten als Eingangsdatensatz konnte zunächst eine neuronale Interpolation erzielt werden. Das Ergebnis war eine vereinfachte Interpolationskarte mit NO2 Konzentrationen von 30 bis 40 μg/m³ in den Städten und geringeren Konzentrationen in ländlichen Gebieten. Bemerkenswert sind hierbei unrealistische, gerade Streifen von NO2 Konzentrationen um 20 μg/m³, welche die Städte Nicosia, Limassol und Larnaka miteinander verbinden. Anschließend wurde dem Analysegitter ein digitales Höhenmodell angepasst und das Netzwerk mit den resultierenden Höhenwerten trainiert. Auch hier traten physikalisch unmögliche Werte auf, wie etwa hohe NO2 Konzentrationen in Flusstälern. Ein sehr wichtiger Einfluss auf die Verteilung von Luftverunreinigungen sind die atmosphärischen Ausbreitungsbedingungen. Da alle meteorologischen Parameter ständig variieren ist es unmöglich ein mittleres Windfeld zu berechnen. Windstatistiken wären eine mögliche Lösung, können jedoch nicht direkt als Eingabe verwendet werden, da es sich im Falle der Windrichtung um eine Verteilung von mehreren Werten handelt. Um dennoch die Ausbreitungsbedingungen zu berücksichtigen, wurden Abgasfahnen der wichtigsten Emissionsquellen in Zypern berechnet. Methodisch kamen hierbei das Gauß-Modell P&K 3782 und statistische Analyseverfahren wie Regressionsanalysen zum Einsatz. Die Ergebnisse wurden mit einem neuen rechnerischen Ansatz auf das Analysegitter verteilt, wobei das Konzept der "Distributed Emissions" entwickelt wurde. Mit diesem Input für das Neuronale Netz konnte bereits eine sehr genaue NO2 Immissionskarte berechnet werden, auf der die Lage der Quellen und deren Emissionsstärken gut wiedergegeben werden. Nach den oben beschriebenen univariaten Modellen wurden multivariate Berechnungen durchgeführt, um auch noch die vorhandenen weiteren Einflussparametern miteinzubeziehen. Alle Modelle mit UTM-Koordinaten und Höhenwerten als Eingabe produzierten wiederum unrealistische Verteilungsmuster. Das beste Ergebnis konnte mit einem Neuronalen Netzwerk erzielt werden, das mit "Verteilten Emissionen" und der Populationsdichte trainiert wurde. Diese Modellkonfiguration bewahrte die positiven Aspekte der univariaten Ansätze und machte außerdem noch weitere Quellen wie Dörfer deutlich sichtbar. Eine realistische, fein strukturierte Immissionskarte von Zypern ist das Resultat dieser Berechnungen. ; The objective of this work was to develop a method to calculate realistic air pollutants distribution maps. Most common state of the art dispersion models are limited in using air pollutant measurement data. They are only used for validation of the results - a fact that does not limit the importance of this model type which is still first choice for many questions. Yet, the usage of many, well distributed measurement data as a model input is the only possibility to provide a direct link to the actual air pollution distribution. So the first demand to the model was the ability to consider such data in its algorithm. Diffusive samplers are a predestined method to assess the spatial distribution of air pollutants, since they are the only economic possibility to carry out simultaneous measurements at many places. During the UNOPS project "Preliminary Assessment of Ambient Air Quality in Cyprus" NO2 diffusive samplers were exposed at 270 sites in six campaigns throughout one year. A second requirement for the model was the ability to consider the most important influence parameters, like the emissions or the population density - most available methods are limited in this respect. Three methods were found to generally fulfil these requirements: Regression models, interpolation algorithms and artificial neural networks. First, the regression analysis was excluded since it is too rigid, too limited to reproduce non-linear correlations and based on too many theoretical statistical assumptions that are hard to be kept. Interpolation is a well-developed standard method that is also recommended by the European Union. It was therefore tried to investigate the possibilities that lay in this approach. Simple interpolation failed to reproduce a realistic distribution of air pollutants, although exact interpolation algorithms preserve the measured values. The result maps depend strongly on the location of the measurement site; sources in between are neglected. In air pollution modelling and comparable fields of neural network application, it is common sense that multilayer perceptrons with backpropagation deliver the best results. In training mode, a so-called "controlled learning" was applied, where the user provides the input data together with a set of known outputs. The task of the network is to learn the correlation between inputs and outputs. For this purpose, an analysis grid of 1x1 km was laid over the research area of Cyprus and the most important influencing variables were intersected with this grid. For all grid cells with diffusive samplers, the correlations of the annual NO2 concentration with the input variables were calculated. First of all a neural interpolation of the diffusive sampler measurements could be established by using the UTM coordinates as input. The result was a simplified interpolation map with NO2 concentrations around 30 to 40 μg/m³ in the cities and lower concentrations in rural areas. Remarkable here are unrealistic straight stripes of medium NO2 concentrations of about 20 μg/m³ connecting the cities of Nicosia, Limassol and Larnaka where the highest concentrations were measured. A very important influence on the distribution of air pollutants are the dispersion conditions. The only realizable possibility to include meteorological data was to consider case studies for the major emission sources in Cyprus. So the dispersion plumes for the most important sources were calculated using annual wind statistics: For the largest cities, the power plants, one cement factory and the highways. Applied methods for this purpose were the Gaussian dispersion model P&K 3782 and statistical evaluations including regression analysis. Finally the plumes were transferred into so-called distributed emissions. Trained with this input data, the network reproduced the actual location and strength of all the sources that were used as input. After using univariate models, multivariate calculations were carried out to depict the complex correlations that influence the distribution of air pollutants. All models with UTM coordinates again created unrealistic large and regular plumes coming from the south-eastern bottom of the map, which lead to their exclusion. The same is true for the altitude. For both maps the population density was added with no positive effect. Finally, the best result could be established with a model that uses the enhanced emissions inventory and the population density as inputs. This configuration preserved the positive aspects of the univariate model with emissions and added additional sources like villages, which were omitted in the emissions inventory. A realistic, fine structured map was the result.

Many functions that at one time could only be performed by humans can nowadays be carried out by machines. Automation impacts many areas of life including work, home, communication and mobility. In the driving context, in-vehicle automation is considered to provide solutions for environmental, economic, safety and societal challenges. However, automation changes the driving task and the human-machine interaction. Thus, the expected benefit of in-vehicle automation can be undermined by changes in drivers' behaviour, i.e. behavioural adaptation. This PhD project focuses on motivational as well as higher cognitive processes underlying behavioural adaptation when interacting with in-vehicle automation. Motivational processes include the development of trust and acceptance, whereas higher cognitive processes comprise the learning process as well as the development of mental models and Situation Awareness (SA). As an example for in-vehicle automation, the advanced driver assistance system Adaptive Cruise Control (ACC) was investigated. ACC automates speed and distance control by maintaining a constant set cruising speed and automatically adjusting vehicle's velocity in order to provide a specified distance to the preceding vehicle. However, due to sensor limitations, not every situation can be handled by the system and therefore driver intervention is required. Trust, acceptance and an appropriate mental model of the system functionality are considered key variables for adequate use and appropriate SA. To systematically investigate changes in motivational and higher cognitive processes, a driving simulator as well as an on-road study were carried out. Both of the studies were conducted using a repeated-measures design, taking into account the process character, i.e. changes over time. The main focus was on the development of trust, acceptance and the mental model of novice users when interacting with ACC. By now, only few studies have attempted to assess changes in higher level cognitive processes, due to methodological difficulties posed by the dynamic task of driving. Therefore, this PhD project aimed at the elaboration and validation of innovative methods for assessing higher cognitive processes, with an emphasis on SA and mental models. In addition, a new approach for analyzing big and heterogeneous data in social science was developed, based on the use of relational databases. The driving simulator study investigated the effect of divergent initial mental models of ACC (i.e., varying according to correctness) on trust, acceptance and mental model evolvement. A longitudinal study design was applied, using a two-way (3×3) repeated measures mixed design with a matched sample of 51 subjects. Three experimental groups received (1) a correct ACC description, (2) an incomplete and idealised account omitting potential problems, and (3) an incorrect description including non-occurring problems. All subjects drove a 56-km track of highway with an identical ACC system, three times, and within a period of 6 weeks. Results showed that after using the system, participants' mental model of ACC converged towards the profile of the correct group. Non-experienced problems tended to disappear from the mental model network when they were not activated by experience. Trust and acceptance grew steadily for the correct condition. The same trend was observed for the group with non-occurring problems, starting from a lower initial level. Omitted problems in the incomplete group led to a constant decrease in trust and acceptance without recovery. This indicates that automation failures do not negatively affect trust and acceptance if they are known beforehand. During each drive, participants continuously completed a visual secondary task, the Surrogate Reference Task (SURT). The frequency of task completion was used as objective online-measure for SA, based on the principle that situationally aware driver would reduce the engagement in the secondary task if they expect potentially critical situations. Results showed that correctly informed drivers were aware of potential system limitations and reduced their engagement in the secondary task when such situations arose. Participants with no information about limitations became only aware after first encounter and reduced secondary task engagement in corresponding situations during subsequent trials. However, trust and acceptance in the system declined over time due to the unexpected failures. Non occurring limitations tended to drop from the mental model and resulted in reduced SA already in the second trial. The on-road study investigated the learning process, as well as the development of trust, acceptance and the mental model for interacting with ACC in real conditions. Research questions aimed to model the learning process in mathematical/statistical terms, examine moments and conditions when these processes stabilize, and assess how experience changes the mental model of the system. A sample of fifteen drivers without ACC experience drove a test vehicle with ACC ten consecutive times on the same route within a 2-month period. In contrast to the driving simulator study, all participants were fully trained in ACC functionality by reading the owner's manual in the beginning. Results showed that learning, as well as the development of acceptance and trust in ACC follows the power law of learning, in case of comprehensive prior information on system limitations. Thus, the major part of the learning process occurred during the first interaction with the system and support in explaining the systems abilities (e.g. by tutoring systems) should therefore primarily be given during this first stage. All processes stabilized at a relatively high level after the fifth session, which corresponds to 185 km or 3.5 hours of driving. No decline was observable with ongoing system experience. However, in line with the findings from the simulator study, limitations that are not experienced tended to disappear from the mental model if they were not activated by experience. With regard to the validation of the developed methods for assessing mental models and SA, results are encouraging. The studies show that the mental model questionnaire is able to provide insights into the construction of mental models and the development over time. Likewise, the implicit measurement approach to assess SA online in the driving simulator is sensitive to user's awareness of potentially critical situations. In terms of content, the results of the studies prove the enduring relevance of the initial mental model for the learning process, SA, as well as the development of trust, acceptance and a realistic mental model about automation capabilities and limitations. Given the importance of the initial mental model it is recommended that studies on system trust and acceptance should include, and attempt to control, users' initial mental model of system functionality. Although the results showed that also incorrect and incomplete initial mental models converged by experience towards a realistic appreciation of system functionality, the more cognitive effort needed to update the mental model, the lower trust and acceptance. Providing an idealised description, which omits potential problems, only leads to temporarily higher trust and acceptance in the beginning. The experience of unexpected limitations results in a steady decrease in trust and acceptance over time. A trial-and-error strategy for in-vehicle automation use, without accompanying information, is therefore considered insufficient for developing stable trust and acceptance. If the mental model matches experience, trust and acceptance grow steadily following the power law of learning – regardless of the experience of system limitations. Provided that such events are known in advance, they will not cause a decrease in trust and acceptance over time. Even over-information about potential problems lowers trust and acceptance only in the beginning, and not in the long run. Potential problems should therefore not be concealed in over-idealised system descriptions; the more information given, the better, in the long run. However, limitations that are not experienced tend to disappear from the mental model. Therefore, it is recommended that users be periodically reminded of system limitations to make sure that corresponding knowledge becomes re-activated. Intelligent tutoring systems incorporated in automated systems could provide a solution. In the driving context, periodic reminders about system limitations could be shown via the multifunction displays integrated in most modern cars. Tutoring systems could also be used to remind the driver of the presence of specific in-vehicle automation systems and reveal their benefits.:Table of contents LIST OF FIGURES I LIST OF TABLES II LIST OF ABBREVIATIONS III ACKNOWLEDGEMENTS IV SUMMARY V ZUSAMMENFASSUNG VIII 1 INTRODUCTION 12 2 THEORETICAL BACKGROUND 14 2.1 BEHAVIOURAL ADAPTATION AND HIGHER COGNITIVE PROCESSES 14 2.2 VEHICLE AUTOMATION AND ADAPTIVE CRUISE CONTROL 17 2.3 MENTAL MODELS 20 2.3.1 Definition 20 2.3.2 Mental model construction and update 20 2.3.3 Discussion of existing measures 21 2.3.4 Development of the mental model questionnaire 23 2.4 SITUATION AWARENESS 24 2.4.1 Definition 24 2.4.2 Relationship between mental models and Situation Awareness 26 2.4.3 Situation Awareness as comprehension process 27 2.4.4 Discussion of existing measures 27 2.4.5 Development of the Situation Awareness measurement technique 29 2.5 LEARNING, ACCEPTANCE AND TRUST IN AUTOMATION 30 2.5.1 Power law of learning 30 2.5.2 Acceptance 31 2.5.3 Trust in automation 31 2.5.4 Related research on learning, acceptance and trust in ACC 32 3 OVERALL RESEARCH QUESTIONS 34 4 OVERALL METHODOLOGICAL CONSIDERATIONS 35 4.1 DRIVING SIMULATOR STUDIES AND ON-ROAD TESTS 35 4.2 DATABASE-FRAMEWORK FOR DATA STORAGE AND ANALYSIS 37 5 DRIVING SIMULATOR STUDY 42 5.1 AIMS AND RESEARCH QUESTIONS 42 5.2 METHOD AND MATERIAL 43 5.2.1 Sampling and participants 43 5.2.2 Research design and procedure 44 5.2.3 Facilities and driving simulator track 45 5.2.4 Secondary task SURT 46 5.2.5 System description 46 5.2.6 Dependent variables trust, acceptance and mental model 47 5.2.7 Contrast analysis 48 5.3 RESULTS 49 5.3.1 Mental model 49 5.3.2 Trust and acceptance 51 5.3.3 Situation Awareness 52 5.4 DISCUSSION 56 6 ON-ROAD STUDY 59 6.1 AIMS AND RESEARCH QUESTIONS 59 6.2 METHOD AND MATERIAL 59 6.2.1 Research design and procedure 59 6.2.2 Sampling and participants 60 6.2.3 Facilities and apparatus 60 6.2.4 Dependent variables mental model, trust, acceptance, learning and ACC usage 62 6.3 RESULTS 63 6.3.1 ACC usage 63 6.3.2 Trust and acceptance 64 6.3.3 Learning 65 6.3.4 Mental model 67 6.4 DISCUSSION 68 7 GENERAL DISCUSSION AND CONCLUSIONS 70 7.1 THEORETICAL AND PRACTICAL CONSIDERATIONS 70 7.2 METHODOLOGICAL CONSIDERATIONS 71 7.3 LIMITATIONS AND DIRECTIONS FOR FUTURE RESEARCH 74 8 REFERENCES 76 9 APPENDIX 88 9.1 QUESTIONNAIRES USED IN THE DRIVING SIMULATOR STUDY 88 9.1.1 Original German version 88 9.1.2 English translation 91 9.2 ACC DESCRIPTIONS USED IN THE DRIVING SIMULATOR STUDY 94 9.2.1 Correct description 94 9.2.2 Incomplete description 95 9.2.3 Incorrect description 96 9.3 SCHEMATIC OVERVIEW OF THE DRIVING SIMULATOR TRACK 97 9.4 QUESTIONNAIRES USED IN THE ON-ROAD STUDY 99 9.4.1 Original German version 99 9.4.2 English translation 103 9.5 SEMINAR PROGRAMME: DATABASES AS ANALYSIS TOOL IN SOCIAL SCIENCE 107 9.6 CURRICULUM VITAE AND PUBLICATIONS 109 ; Viele Aufgaben, die ehemals von Menschen ausgeführt wurden, werden heute von Maschinen übernommen. Dieser Prozess der Automatisierung betrifft viele Lebensbereiche von Arbeit, Wohnen, Kommunikation bis hin zur Mobilität. Im Bereich des Individualverkehrs wird die Automatisierung von Fahrzeugen als Möglichkeit gesehen, zukünftigen Herausforderungen wirtschaftlicher, gesellschaftlicher und umweltpolitischer Art zu begegnen. Allerdings verändert Automatisierung die Fahraufgabe und die Mensch-Technik Interaktion im Fahrzeug. Daher können beispielsweise erwartete Sicherheitsgewinne automatisch agierender Assistenzsysteme durch Veränderungen im Verhalten des Fahrers geschmälert werden, was als Verhaltensanpassung (behavioural adaptation) bezeichnet wird. Dieses Dissertationsprojekt untersucht motivationale und höhere kognitive Prozesse, die Verhaltensanpassungen im Umgang mit automatisierten Fahrerassistenzsystemen zugrunde liegen. Motivationale Prozesse beinhalten die Entwicklung von Akzeptanz und Vertrauen in das System, unter höheren kognitiven Prozessen werden Lernprozesse sowie die Entwicklung von mentalen Modellen des Systems und Situationsbewusstsein (Situation Awareness) verstanden. Im Fokus der Untersuchungen steht das Fahrerassistenzsystem Adaptive Cruise Control (ACC) als ein Beispiel für Automatisierung im Fahrzeug. ACC regelt automatisch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, indem bei freier Fahrbahn eine eingestellte Wunschgeschwindigkeit und bei einem Vorausfahrer automatisch ein eingestellter Abstand eingehalten wird. Allerdings kann ACC aufgrund von Einschränkungen der Sensorik nicht jede Situation bewältigen, weshalb der Fahrer übernehmen muss. Für diesen Interaktionsprozess spielen Vertrauen, Akzeptanz und das mentale Modell der Systemfunktionalität eine Schlüsselrolle, um einen sicheren Umgang mit dem System und ein adäquates Situationsbewusstsein zu entwickeln. Zur systematischen Erforschung dieser motivationalen und kognitiven Prozesse wurden eine Fahrsimulatorstudie und ein Versuch im Realverkehr durchgeführt. Beide Studien wurden im Messwiederholungsdesign angelegt, um dem Prozesscharakter gerecht werden und Veränderungen über die Zeit erfassen zu können. Die Entwicklung von Vertrauen, Akzeptanz und mentalem Modell in der Interaktion mit ACC war zentraler Forschungsgegenstand beider Studien. Bislang gibt es wenige Studien, die kognitive Prozesse im Kontext der Fahrzeugführung untersucht haben, unter anderem auch wegen methodischer Schwierigkeiten in diesem dynamischen Umfeld. Daher war es ebenfalls Teil dieses Dissertationsprojekts, neue Methoden zur Erfassung höherer kognitiver Prozesse in dieser Domäne zu entwickeln, mit Fokus auf mentalen Modellen und Situationsbewusstsein. Darüber hinaus wurde auch ein neuer Ansatz für die Analyse großer und heterogener Datenmengen im sozialwissenschaftlichen Bereich entwickelt, basierend auf dem Einsatz relationaler Datenbanken. Ziel der der Fahrsimulatorstudie war die systematische Erforschung des Effekts von unterschiedlich korrekten initialen mentalen Modellen von ACC auf die weitere Entwicklung des mentalen Modells, Vertrauen und Akzeptanz des Systems. Eine Stichprobe von insgesamt 51 Probanden nahm an der Studie teil; der Versuch wurde als zweifaktorielles (3x3) gemischtes Messwiederholungsdesign konzipiert. Die 3 parallelisierten Versuchsgruppen zu je 17 Personen erhielten (1) eine korrekte Beschreibung des ACC, (2) eine idealisierte Beschreibung unter Auslassung auftretender Systemprobleme und (3) eine überkritische Beschreibung mit zusätzlichen Hinweisen auf Systemprobleme, die nie auftraten. Alle Teilnehmer befuhren insgesamt dreimal im Zeitraum von sechs Wochen dieselbe 56 km lange Autobahnstrecke im Fahrsimulator mit identischem ACC-System. Mit zunehmendem Einsatz des ACC zeigte sich im anfänglich divergierenden mentalen Modell zwischen den Gruppen eine Entwicklung hin zum mentalen Modell der korrekt informierten Gruppe. Nicht erfahrene Systemprobleme tendierten dazu, im mentalen Modell zu verblassen, wenn sie nicht durch Erfahrung reaktiviert wurden. Vertrauen und Akzeptanz stiegen stetig in der korrekt informierten Gruppe. Dieselbe Entwicklung zeigte sich auch in der überkritisch informierten Gruppe, wobei Vertrauen und Akzeptanz anfänglich niedriger waren als in der Bedingung mit korrekter Information. Verschwiegene Systemprobleme führten zu einer konstanten Abnahme von Akzeptanz und Vertrauen ohne Erholung in der Gruppe mit idealisierter Beschreibung. Diese Resultate lassen darauf schließen, dass Probleme automatisierter Systeme sich nicht zwingend negativ auf Vertrauen und Akzeptanz auswirken, sofern sie vorab bekannt sind. Bei jeder Fahrt führten die Versuchsteilnehmer zudem kontinuierlich eine visuell beanspruchende Zweitaufgabe aus, die Surrogate Reference Task (SURT). Die Frequenz der Zweitaufgabenbearbeitung diente als objektives Echtzeitmaß für das Situationsbewusstsein, basierend auf dem Ansatz, dass situationsbewusste Fahrer die Zuwendung zur Zweitaufgabe reduzieren wenn sie potentiell kritische Situationen erwarten. Die Ergebnisse zeigten, dass die korrekt informierten Fahrer sich potentiell kritischer Situationen mit möglichen Systemproblemen bewusst waren und schon im Vorfeld der Entstehung die Zweitaufgabenbearbeitung reduzierten. Teilnehmer ohne Informationen zu auftretenden Systemproblemen wurden sich solcher Situationen erst nach dem ersten Auftreten bewusst und reduzierten in entsprechenden Szenarien der Folgefahrten die Zweitaufgabenbearbeitung. Allerdings sanken Vertrauen und Akzeptanz des Systems aufgrund der unerwarteten Probleme. Erwartete, aber nicht auftretende Systemprobleme tendierten dazu, im mentalen Modell des Systems zu verblassen und resultierten in vermindertem Situationsbewusstsein bereits in der zweiten Fahrt. Im Versuch unter Realbedingungen wurden der Lernprozesses sowie die Entwicklung des mentalen Modells, Vertrauen und Akzeptanz von ACC im Realverkehr erforscht. Ziele waren die statistisch/mathematische Modellierung des Lernprozesses, die Bestimmung von Zeitpunkten der Stabilisierung dieser Prozesse und wie sich reale Systemerfahrung auf das mentale Modell von ACC auswirkt. 15 Versuchsteilnehmer ohne ACC-Erfahrung fuhren ein Serienfahrzeug mit ACC insgesamt 10-mal auf der gleichen Strecke in einem Zeitraum von 2 Monaten. Im Unterschied zur Fahrsimulatorstudie waren alle Teilnehmer korrekt über die ACC-Funktionen und Funktionsgrenzen informiert durch Lesen der entsprechenden Abschnitte im Fahrzeughandbuch am Beginn der Studie. Die Ergebnisse zeigten, dass der Lernprozess sowie die Entwicklung von Akzeptanz und Vertrauen einer klassischen Lernkurve folgen – unter der Bedingung umfassender vorheriger Information zu Systemgrenzen. Der größte Lernfortschritt ist am Beginn der Interaktion mit dem System sichtbar und daher sollten Hilfen (z.B. durch intelligente Tutorsysteme) in erster Linie zu diesem Zeitpunkt gegeben werden. Eine Stabilisierung aller Prozesse zeigte sich nach der fünften Fahrt, was einer Fahrstrecke von rund 185 km oder 3,5 Stunden Fahrzeit entspricht. Es zeigten sich keine Einbrüche in Akzeptanz, Vertrauen bzw. dem Lernprozess durch die gemachten Erfahrungen im Straßenverkehr. Allerdings zeigte sich – analog zur Fahrsimulatorstudie – auch in der Realfahrstudie ein Verblassen von nicht erfahrenen Systemgrenzen im mentalen Modell, wenn diese nicht durch Erfahrungen aktiviert wurden. Im Hinblick auf die Validierung der neu entwickelten Methoden zur Erfassung von mentalen Modellen und Situationsbewusstsein sind die Resultate vielversprechend. Die Studien zeigen, dass mit dem entwickelten Fragebogenansatz zur Quantifizierung des mentalen Modells Einblicke in Aufbau und Entwicklung mentaler Modelle gegeben werden können. Der implizite Echtzeit-Messansatz für Situationsbewusstsein im Fahrsimulator zeigt sich ebenfalls sensitiv in der Erfassung des Bewusstseins von Fahrern für potentiell kritische Situationen. Inhaltlich zeigen die Studien die nachhaltige Relevanz des initialen mentalen Modells für den Lernprozess sowie die Entwicklung von Situationsbewusstsein, Akzeptanz, Vertrauen und die weitere Ausformung eines realistischen mentalen Modells der Möglichkeiten und Grenzen automatisierter Systeme. Aufgrund dieser Relevanz wird die Einbindung und Kontrolle des initialen mentalen Modells in Studien zu automatisierten Systemen unbedingt empfohlen. Die Ergebnisse zeigen zwar, dass sich auch unvollständige bzw. falsche mentale Modelle durch Erfahrungslernen hin zu einer realistischen Einschätzung der Systemmöglichkeiten und -grenzen verändern, allerdings um den Preis sinkenden Vertrauens und abnehmender Akzeptanz. Idealisierte Systembeschreibungen ohne Hinweise auf mögliche Systemprobleme bringen nur anfänglich etwas höheres Vertrauen und Akzeptanz. Das Erleben unerwarteter Probleme führt zu einem stetigen Abfall dieser motivationalen Faktoren über die Zeit. Ein alleiniges Versuchs-Irrtums-Lernen für den Umgang mit automatisierter Assistenz im Fahrzeug ohne zusätzliche Information wird daher als nicht ausreichend für die Entwicklung stabilen Vertrauens und stabiler Akzeptanz betrachtet. Wenn das initiale mentale Modell den Erfahrungen entspricht, entwickeln sich Akzeptanz und Vertrauen gemäß einer klassischen Lernkurve – trotz erlebter Systemgrenzen. Sind diese potentiellen Probleme vorher bekannt, führen sie nicht zwingend zu einer Reduktion von Vertrauen und Akzeptanz. Auch zusätzliche überkritische Information vermindert Vertrauen und Akzeptanz nur am Beginn, aber nicht langfristig. Daher sollen potentielle Probleme in automatisierten Systemen nicht in idealisierten Beschreibungen verschwiegen werden – je präzisere Information gegeben wird, desto besser im langfristigen Verlauf. Allerdings tendieren nicht erfahrene Systemgrenzen zum Verblassen im mentalen Modell. Daher wird empfohlen, Nutzer regelmäßig an diese Systemgrenzen zu erinnern um die entsprechenden Facetten des mentalen Modells zu reaktivieren. In automatisierten Systemen integrierte intelligente Tutorsysteme könnten dafür eine Lösung bieten. Im Fahrzeugbereich könnten solche periodischen Erinnerungen an Systemgrenzen in Multifunktionsdisplays angezeigt werden, die mittlerweile in vielen modernen Fahrzeugen integriert sind. Diese Tutorsysteme können darüber hinaus auch auf die Präsenz eingebauter automatisierter Systeme hinweisen und deren Vorteile aufzeigen.:Table of contents LIST OF FIGURES I LIST OF TABLES II LIST OF ABBREVIATIONS III ACKNOWLEDGEMENTS IV SUMMARY V ZUSAMMENFASSUNG VIII 1 INTRODUCTION 12 2 THEORETICAL BACKGROUND 14 2.1 BEHAVIOURAL ADAPTATION AND HIGHER COGNITIVE PROCESSES 14 2.2 VEHICLE AUTOMATION AND ADAPTIVE CRUISE CONTROL 17 2.3 MENTAL MODELS 20 2.3.1 Definition 20 2.3.2 Mental model construction and update 20 2.3.3 Discussion of existing measures 21 2.3.4 Development of the mental model questionnaire 23 2.4 SITUATION AWARENESS 24 2.4.1 Definition 24 2.4.2 Relationship between mental models and Situation Awareness 26 2.4.3 Situation Awareness as comprehension process 27 2.4.4 Discussion of existing measures 27 2.4.5 Development of the Situation Awareness measurement technique 29 2.5 LEARNING, ACCEPTANCE AND TRUST IN AUTOMATION 30 2.5.1 Power law of learning 30 2.5.2 Acceptance 31 2.5.3 Trust in automation 31 2.5.4 Related research on learning, acceptance and trust in ACC 32 3 OVERALL RESEARCH QUESTIONS 34 4 OVERALL METHODOLOGICAL CONSIDERATIONS 35 4.1 DRIVING SIMULATOR STUDIES AND ON-ROAD TESTS 35 4.2 DATABASE-FRAMEWORK FOR DATA STORAGE AND ANALYSIS 37 5 DRIVING SIMULATOR STUDY 42 5.1 AIMS AND RESEARCH QUESTIONS 42 5.2 METHOD AND MATERIAL 43 5.2.1 Sampling and participants 43 5.2.2 Research design and procedure 44 5.2.3 Facilities and driving simulator track 45 5.2.4 Secondary task SURT 46 5.2.5 System description 46 5.2.6 Dependent variables trust, acceptance and mental model 47 5.2.7 Contrast analysis 48 5.3 RESULTS 49 5.3.1 Mental model 49 5.3.2 Trust and acceptance 51 5.3.3 Situation Awareness 52 5.4 DISCUSSION 56 6 ON-ROAD STUDY 59 6.1 AIMS AND RESEARCH QUESTIONS 59 6.2 METHOD AND MATERIAL 59 6.2.1 Research design and procedure 59 6.2.2 Sampling and participants 60 6.2.3 Facilities and apparatus 60 6.2.4 Dependent variables mental model, trust, acceptance, learning and ACC usage 62 6.3 RESULTS 63 6.3.1 ACC usage 63 6.3.2 Trust and acceptance 64 6.3.3 Learning 65 6.3.4 Mental model 67 6.4 DISCUSSION 68 7 GENERAL DISCUSSION AND CONCLUSIONS 70 7.1 THEORETICAL AND PRACTICAL CONSIDERATIONS 70 7.2 METHODOLOGICAL CONSIDERATIONS 71 7.3 LIMITATIONS AND DIRECTIONS FOR FUTURE RESEARCH 74 8 REFERENCES 76 9 APPENDIX 88 9.1 QUESTIONNAIRES USED IN THE DRIVING SIMULATOR STUDY 88 9.1.1 Original German version 88 9.1.2 English translation 91 9.2 ACC DESCRIPTIONS USED IN THE DRIVING SIMULATOR STUDY 94 9.2.1 Correct description 94 9.2.2 Incomplete description 95 9.2.3 Incorrect description 96 9.3 SCHEMATIC OVERVIEW OF THE DRIVING SIMULATOR TRACK 97 9.4 QUESTIONNAIRES USED IN THE ON-ROAD STUDY 99 9.4.1 Original German version 99 9.4.2 English translation 103 9.5 SEMINAR PROGRAMME: DATABASES AS ANALYSIS TOOL IN SOCIAL SCIENCE 107 9.6 CURRICULUM VITAE AND PUBLICATIONS 109

Dissertationsprojekt mit den Wahlergebnissen der Stadt Bielefeld für den Zeitraum 1919 bis 1933. Dieser Datensatz bezieht sich auf die niedrigste Aggregationsebene, für die amtliche Wahldaten ausgewiesen wurden: den Wahlbezirken der Stadt Bielefeld.

Die Arbeit ist in zwei Teile untergliedert:

Im 1. Teil werden gängige, auf Reichsebene bezogene Erklärungsmodelle (u.a. Lipset, Bendix, Burnham) für den Aufstieg der NSDAP kleinräumig am Beispiel Bielefeld mit Hilfe der Regressionsanalyse überprüft. Auch wird manche Annahme bzw. vorschnelle Verallgemeinerung in zurückliegenden Beiträgen zur Geschichte der Bielefelder Wahlen durch empirisch gesicherte Ergebnisse korrigiert.

Die Wahl fiel auf die Stadt Bielefeld, weil für fast alle Wahlen und Abstimmungen von 1919 bis 1933 die Wahlergebnisse auf innerstädtischer Stimmbezirksebene, der kleinsten statistischen Ebene, überliefert sind: Je kleiner die räumliche Erhebungseinheit ist, desto genauer dürften die rechnerisch abgesicherten Ergebnisse sein. Räumlich stabile Erhebungseinheiten (Stimmbezirke) als eine Voraussetzung für den Einsatz des mathematischen Verfahrens konnten – untergliedert in fünf Perioden – gefunden werden. In Hinblick auf eine Wanderungsanalyse wurden die bivariate und die multiple Zusammenhangsanalyse engewendet.

Die Wählerwanderungen in Bielefeld waren sehr komplex; keines der drei Modelle kann die nachgewiesenen Wählerwanderungen zufriedenstellend erklären. Die Bielefelder Befunde von der parteipolitischen Herkunft der nationalsozialistischen Wählerschaft 1929-1933 besagen:
In hohem Maße wanderten ehemalige Wähler der DVP vor denen der DNVP, DDP/Staatspartei, der Wirtschaftspartei und anderer Interessenparteien zur NSDAP ab. Wähler des Zentrums blieben beständig deutlich unterdurchschnittlich, Wähler der KPD und SPD in geringerem Maße zeitweise anfällig für die NSDAP. Die NSDAP kann auch in Bielefeld als eine Sammelbewegung bezeichnet werden (vgl. Falter); jedoch ist in diesem Zusammenhang eine Besonderheit in Bielefeld hervorzuheben: Selbst bei der Reichstagswahl am 5. März 1933 lag der prozentuale Stimmenanteil der NSDAP trotz ihres bisher besten Ergebnisses wieder unter dem Reichsdurchschnitt, maßgeblich bewirkt durch die herausragende Mobilisierungsleistung der SPD vor dem Hintergrund der großen sozialdemokratisch-freigewerkschaftlich geprägten Milieustabilität in der Stadt.

Im 2. Teil wird der Organisationsaufbau der NSDAP und wichtiger Sonderorganisationen in Bielefeld nachgezeichnet. Es wird die Frage gestellt, ob der Auf- und Ausbau der Parteiorganisation in Bielefeld zu den wachsenden Erfolgen der Partei in der Gesellschaft und bei den politischen Wahlen beigetragen hat. Die Untersuchung der Parteistruktur ist, jedenfalls für Bielefeld, bisher vernachlässigt worden. Die Analyse ergab folgende Ergebnisse:

- Der strikt hierarchische Aufbau der NSDAP und Sonderorganisationen trugen erheblich zu den Erfolgen in Bielefeld bei. Das gilt auch für die Region Minden-Ravensberg: Sie kann als ein Musterbeispiel für die Schaffung eines flächendeckenden Organisationsnetzes gelten.
- Bielefeld erlangte schon 1925 die organisatorische Mittelpunktsfunktion mit dem Schwerpunkt Ostwestfalen.
- Verwirklicht wurde diese Organisationsform unter der Leitung weniger organisationsbegabter, weitgehend eigenständig vorgehender, ansässiger Führungskräfte, die z.T. auch mit Schlüsselpositionen im Gau betraut wurden (Ämterkonzentration in Personalunion). Konflikte, Schwierigkeiten in der Partei wurden autoritär kraft Weisungsbefugnis und Befehlsgewalt dieser Aktivisten beseitigt.
- Bereits die ersten Mitglieder der Ortsguppe Bielefeld (1925) kamen aus allen gesellschaftlichen Schichten. Hervorzuheben ist ein deutliches Übergewicht der Mittelschicht, bes. des unteren Mittelstandes (Kern der Führungsgruppe). Daneben war der Anteil der Oberschicht beträchtlich, der Unterschicht relativ niedrig. Insofern kann auch auf Mitgliederebene die NSDAP von Anfang an als eine Sammelbewegung gekennzeichnet werden.
- Bielefeld und der von dort geführte Bezirk sind ein Beispiel für dezentrale Aufbauarbeit, sozusagen ´von unten´. Die hier erreichte Organisationsform kann als repräsentativ gelten. Sie war das Fundament des Erfolges.

Überblickartig ist zu sagen: Der Parteiorganisation der NSDAP, die dem Aufbau bürgerlicher Parteien deutlich überlegen war - unbedingtes Führerprinzip, kein bürokratischer Apparat -, ist in Bielefeld und der Region eine größere Erklärungskraft für den Aufstieg zu einer Massenpartei beizumessen als bisher üblich, wobei dem personalen Element große Bedeutung zukommt.

Variablenliste:
- Stimmbezirk
- Wahldatum
- Zahl der Wahlberechtigten
- Ungültige Stimmen
- Christliche Volkspartei Zentrum
- Wahlbeteiligung je Wahl (1919 - 1933) in Prozent
- Stimmanteil Nationalsozialistische Deutsche Arbeiterpartei je Wahl (1919 - 1933)
- Stimmanteil Unabhängige Sozialdemokraten je Wahl (1919 - 1933)
- Stimmanteil Sozialdemokratische Partei Deutschland je Wahl (1919 - 1933)
- Stimmanteil Deutschnationale Volkspartei je Wahl (1919 - 1933)
- Stimmanteil Deutsche Demokratische Partei je Wahl (1919 - 1933)
- Stimmanteil Deutsche Volkspartei je Wahl (1919 - 1933)
- Kommunistische Partei Deutschland je Wahl (1919 - 1933)
- Stimmanteil Wirtschaftspartei des Deutschen Mittelstandes je Wahl (1919 - 1933)
- Stimmanteil Sonstige Parteien je Wahl (1919 - 1933).

Im Spannungsfeld zwischen einer steigenden Güterverkehrsleistung, politischen Klimaschutzzielen und der Vermeidung einer Gesundheitsbelastung für den Menschen gilt es, in naher Zukunft Alternativen zu Verbrennungsmotoren für den Straßengüterverkehr zu finden. Während derzeit der Fokus der gesellschaftlichen Debatte noch auf Antriebssystemen wie der Brennstoffzelle oder Energieversorgungssystemen liegt, die auf dem Prinzip der stationären Ladung beruhen, werden zunehmend auch Systeme entwickelt und erprobt, die eine Energieversorgung von Elektrofahrzeugen während der Fahrt ermöglichen sollen. Solche Systeme kombinieren einerseits straßenseitig installierte Systemelemente, die in ihrer Gesamtheit als Ladestationen aufgefasst werden können, mit fahrzeugseitig verbauten Systemelementen (z.B. Energieaufnahmeeinrichtungen, Energiespeicher). Im Gegensatz zu den stationären Energieversorgungssystemen, die mit großen fahrzeugseitig verbauten Energiespeichern arbeiten müssen, können die Energiespeicher in Abhängigkeit des Ausstattungsgrades des Straßennetzes mit Ladestationen bei diesen Systemen jedoch kleiner dimensioniert werden. Hierdurch fällt auch die Reduktion der zur Verfügung stehenden Nutzlast der Lastkraftwagen weniger stark aus. Für den Fall einer auf Ebene des Gesamtnetzes durchgängig zur Verfügung stehenden Ladeinfrastruktur kann sogar vollständig auf die Mitführung eines fahrzeuginternen Energiespeichers verzichtet werden. Wegen der Energiespeicher in den Fahrzeugen können aber auch besonders kostenintensiv oder überhaupt nicht ausstattbare Streckenelemente ausgespart werden. Mit Blick auf den steigenden Wettbewerbsdruck in der Logistikbranche weisen Systeme zur Energieversorgung von Lastkraftwagen während der Fahrt einerseits geringere fahrleistungsbezogene Betriebskosten im Vergleich zu stationären Energieversorgungssystemen oder anderen Antriebstechnologien auf. Andererseits sind diese Systeme auch auf Basis einer Lebenszyklusbetrachtung hinsichtlich ihrer Umweltwirkungen schonender für die Menschen und die Umwelt. Aus diesen Gründen kann die Einführung von Systemen zur Energieversorgung von Lastkraftwagen während der Fahrt eine mögliche und vielversprechende Handlungsoption zur Überwindung des skizzierten Spannungsfelds darstellen. Im Zuge der Einführung solcher Systeme ist es aus verkehrsplanerischer Sicht notwendig, solche Teilstrecken zu identifizieren und für eine Ausstattung mit Systemelementen zur Energieversorgung von Lastkraftwagen während der Fahrt vorzusehen, die im Hinblick auf die politischen Ziele einerseits einen möglichst hohen positiven Beitrag leisten sowie deren Einbindung in logistische Prozessketten andererseits ein möglichst hohes Nutzerpotential ausschöpfen kann. Im Ergebnis entsteht dann eine Netzkonfiguration für ein bestimmtes Energieversorgungssystem, mit der zum Beispiel ein bestimmtes Minderungspotential an Kohlendioxid-Emissionen verbunden ist. Da aber potentiell mehrere dieser Systeme eingeführt werden könnten, ist es zudem in diesem Kontext eine verkehrsplanerische Aufgabenstellung, diese Systeme vergleichend im Hinblick auf ihren Beitrag zu einem Zielsystem zu bewerten oder ihr Nutzen-Kosten-Verhältnis zu untersuchen, wozu ebenfalls eine konkrete Netzkonfiguration benötigt wird. Hinsichtlich dieser beiden neuartigen Aufgabenstellungen war es daher das oberste Ziel dieser Arbeit, ein Verfahren zur Optimierung der Ausstattung deutscher Autobahnen mit Systemen zur Energieversorgung von Lkw während der Fahrt zu entwickeln. Dieses Verfahren sollte zum Ersten die Möglichkeit bieten, eine bedarfsgerechte und bestenfalls auch im mathematischen Sinne optimale Netzkonfiguration für ein bestimmtes System zur Energieversorgung von Lastkraftwagen während der Fahrt auf Basis eines vorab definierten Bewertungsmaßstabs zu ermitteln. Da die verschiedenen Systeme auch unterschiedliche Anforderungen an die Eigenschaften der jeweiligen räumlich-örtlichen Begebenheiten entlang der Teilstrecken stellen, die unter Umständen zu erhöhten kilometerbezogenen Kostensätzen einer Ausstattung führen können, sollten in dem zu entwickelnden Verfahren auch infrastrukturelle Bewertungskriterien berücksichtigt werden. Darüber hinaus sollte das zu entwickelnde Verfahren eine vergleichende Bewertung unterschiedlicher Netzkonfigurationen verschiedener Systeme zur Energieversorgung des Straßengüterverkehrs während der Fahrt auf deutschen Autobahnen ermöglichen. Das im Rahmen dieser Arbeit vorgeschlagene Verfahren besteht daher aus drei eigenständig und unabhängig durchführbaren, jedoch aufeinander abgestimmten Verfahrensteilen. Die Verfahrensteile wurden im Verlauf der Arbeit zunächst formal und prozessual beschrieben, um sie unabhängig von einer konkreten Implementierung oder Software-Anwendung einsetzen zu können. Der erste Verfahrensteil Güterverkehrsnachfrage dient der Bereitstellung einer Datengrundlage hinsichtlich der Güterverkehrsnachfrage für einen beliebigen Planungsraum und Untersuchungszeitpunkt, um eine nachfragegerechte Ableitung von Netzkonfigurationen zu ermöglichen. Der Verfahrensteil ist daher auch anwendungsfallspezifisch auszugestalten, es kann hierfür auf das Standard-Instrumentarium der Verkehrsnachfragemodellierung zurückgegriffen werden. Der Verfahrensteil erfordert als Endprodukt eine auf Ebene der Knotenbeziehungen im unterstellten Verkehrsnetzmodell disaggregierte Relationsliste, die Fahrzeugfahrten zwischen diesen Knoten abbildet. Der zweite Verfahrensteil Infrastrukturbewertung dient der Bewertung von Streckenelementen und Streckenabschnitten hinsichtlich ihrer Ausstattungsfähigkeit mit Ladeinfrastruktur-Elementen verschiedener Systeme zur Energieversorgung von Lkw während der Fahrt aus einer planerisch-bautechnischen Perspektive. Zudem ermöglicht der Verfahrensteil die Ableitung von Ausstattungsvarianten für bestimmte, räumlich begrenzte Teilstrecken sowie deren Vergleich aus einer planerisch-bautechnischen Perspektive. Methodisch greift das Verfahren auf eine modifizierte Nutzwertanalyse zurück, die jedem Streckenelement bzw. -abschnitt einen Nutzwert zuordnet, um auf dessen Basis die binäre Aussage treffen zu können, ob das betreffende Streckenelement bzw. der Streckenabschnitt ausgestattet werden kann oder nicht. Auf Basis der Ergebnisse des Verfahrensteils können somit verlässlichere Kostenschätzungen vorgenommen werden. Die Ergebnisse des Verfahrensteils Infrastrukturbewertung auf der einen Seite sowie die Relationsliste aus dem Verfahrensteil Güterverkehrsnachfrage auf der anderen Seite dienen als Eingangsdaten für einen dritten Verfahrensteil. Dieser dritte Verfahrensteil Lageermittlung dient der räumlichen Verortung von Ladestationen auf einem Verkehrsnetzmodell. Somit lassen sich also mit dem Verfahrensteil unterschiedliche Netzkonfigurationen erzeugen und bewerten. Methodisch greift der Verfahrensteil auf die simulationsbasierte Optimierung zurück. In der Simulationskomponente des Verfahrensteils wird je durchgeführtem Simulationsexperiment eine Netzwerkkonfiguration des jeweils unterstellten Energieversorgungssystems erzeugt. Dabei werden auch die Ergebnisse der Infrastrukturbewertung berücksichtigt. Diese Netzkonfiguration wird an die Optimierungskomponente weitergegeben, die einerseits den Verfahrensablauf steuert und andererseits die Netzkonfiguration bewertet. Hierzu wurde eine Ziel- bzw. Bewertungsfunktion vorgeschlagen, die auf eine Maximierung der eingesparten CO2-Emissionen unter Beachtung einer Budgetrestriktion abstellt. Im Ergebnis können so verschiedene Kenngrößen wie zum Beispiel die vermiedenen CO2-Emissionen, der finanzielle Bedarf für den Ausbau sowie die Fahrleistung in den verschiedenen Betriebsmodi ermittelt werden. Durch das mehrmalige Ausführen der Simulationskomponente bzw. eine Variation der Simulationsparameter und eine sukzessive Bewertung der Ergebnisse soll das Verfahren so eine bedarfsgerechte und bestenfalls auch im mathematischen Sinne optimale Netzkonfiguration für ein bestimmtes System zur Energieversorgung während der Fahrt ermitteln können. Durch die Anwendung des entwickelten Verfahrens auf das eHighway-System für den Planungsraum der deutschen Autobahnen liefert diese Arbeit neben einem methodischen Beitrag auch praxisrelevante Erkenntnisse. Um dies in einem weiteren Untersuchungsschritt zu ermöglichen, wurde auf Basis des zuvor entwickelten und formal beschriebenen, generischen Verfahrens ein gekoppeltes Simulations- und Optimierungsmodell mit der Bezeichnung OAASEE entworfen und als eigenständige Software-Applikation implementiert. Das Modell OAASEE besteht konsequenterweise aus den drei gekoppelten und über Schnittstellen verbundenen Modulen Güterverkehrsnachfrage, Infrastrukturbewertung und Lageermittlung. OAASEE bietet dem Anwender umfangreiche Möglichkeiten zur Parametrisierung des Verfahrens über eine grafische Benutzeroberfläche und kann so unabhängig von einem konkreten Anwendungsfall eingesetzt werden. Für den Anwendungsfall wurde im Rahmen des Moduls Güterverkehrsnachfrage auf Basis einer Verflechtungsmatrix eine Umwandlung von Güterströmen in Fahrzeugströme vorgenommen und diese wurden zwischen Netzeinspeiseknoten verteilt. Leider konnte das Modul Infrastrukturbewertung nicht im Rahmen des Anwendungsbeispiels eingesetzt werden, weil bei Fertigstellung der Arbeit noch kein Zugriff auf wichtige Daten bestand. Für das Modul Lageermittlung wurde OAASEE aber mit einer Stichprobe an Relationen aus dem Modul Güterverkehrsnachfrage versorgt und das Modul wurde anschließend auf Basis einer Literaturanalyse parametrisiert. Hierzu wurde ein szenarienbasiertes Vorgehen gewählt: jedes Szenario ist durch einen Parametersatz beschrieben. Neben einem Szenario, das auf den Dieselmotor als Antriebstechnologie abstellt und so einen Referenzpunkt zu Vergleichszwecken bietet, wurden insgesamt drei weitere Szenarien untersucht. Für jedes der drei Szenarien wurde dann durch OAASEE eine Netzkonfiguration für den eHighway auf deutschen Autobahnen abgeleitet. Auf Basis eines Vergleichs der drei resultierenden Netzkonfigurationen wurde eine Ausbauempfehlung für besonders geeignete Korridore formuliert und diese genutzt, um entsprechende Kenngrößen zu erzeugen. Die Modellergebnisse wurden außerdem in die vorhandene Veröffentlichungslandschaft eingeordnet. Das im Laufe dieser Arbeit vorgestellte, simulationsbasierte Optimierungsverfahren ist prinzipiell auch auf den Personenverkehr und weitere Nutzergruppen anwendbar und leistet somit einen Beitrag für eine vergleichende, volkwirtschaftliche Bewertung verschiedener Systeme zur Energieversorgung des Elektroverkehrs während der Fahrt. Langfristig kann die gesamtgesellschaftliche Akzeptanz der Systeme zur Energieversorgung des Elektroverkehrs während der Fahrt durch einen solchen, möglichst transparenten Bewertungsprozess gesteigert und die Weichen für einen nachhaltigen Straßenverkehr können gestellt werden.

Was man aus der deutschen PIAAC-Studie als prägnanteste Zusammenfassung herausziehen könnte, wäre: jeder sechste deutsche Erwachsene liest und rechnet auf dem Kompetenzniveau eines zehnjährigen Schülers und jeder zehnte deutsche Erwachsene kann mit einer "Maus" nicht umgehen. Oder, in Anlehnung an PIAAC: Im deutschen Bildungssystem besteht anscheinend nicht für alle Menschen die Möglichkeit, ein über elementare Grundkompetenzen hinaus gehendes Niveau zu erreichen. Diese Ergebnisse sind zwar statistisch valide und belastbar, verkürzen jedoch ohne weitere Differenzierungen das Gesamtanliegen von PIAAC. (DIPF/Orig.) ; The concise resume that could be drawn from the German PIAAC study would be: Every sixth German adult reads and calculates at a ten-year-old students competence level and every tenth German adult can not handle a "mouse". Or, according to PIAAC: the German educational system apparently doesn't offer all people the chance to achieve basic competences that exceed over an elementary level. Though these results are statistically valid and reliable, they reduce without further differentiation PIAACs overall intentions. (DIPF/Orig.)

Malnutrition, poverty and the unsustainable exploitation of natural resources pose serious problems in sub-Saharan Africa (SSA). Overfishing and deforestation not only damage ecosystems, but also put livelihoods at risk in rural economies. The development of nature-based tourism, aquaculture and bioenergy production from papyrus briquettes provide opportunities for improvement. Co-management is becoming increasingly important in SSA to prepare and implement development plans. It aims to provide a framework in which governments work closely together with key stakeholders in village communities, but often success has been limited. Namibia and Zambia are used as case studies in this thesis because despite co-management, malnutrition, poverty and high exploitation of natural resources is evident. A modeling approach can evaluate the impact of different policy (or development) programs ex-ante in order to derive recommendations for action. Quantitative approaches such as computer-based mathematical programming therefore provide an important tool to support policy planning and explore development opportunities, as simulations can indicate the feasibility and potential acceptance of policy (or development) programs. As a result, there is great interest in computer-based models to support the design of development and management plans. The literature also points to research needs for nature-based tourism, aquaculture and papyrus briquettes as bioenergy in SSA. This need is addressed in this thesis by developing computer-based mathematical programming models. Against this background, the overall objective of this thesis is to develop computer-based mathematical programming models to investigate the impact of different development opportunities on rural economies and natural resources in SSA. The focus of this thesis is on nature-based tourism and aquaculture applied to a region in Namibia, and papyrus briquetting applied to a rural area in Zambia as possible (management) options. In detail, the following research questions are raised: (1) Does nature-based tourism improve local livelihoods? (2) Does nature-based tourism have the potential to reduce overfishing? (3) Does aquaculture improve local livelihoods? (4) Does aquaculture have the potential to reduce local overfishing? (5) Does papyrus harvesting and processing improve local livelihoods? (6) Does papyrus harvesting and processing have the potential to reduce the pressure on local forest resources? Chapter 2 investigates the impact of nature-based tourism on rural development and conservation in Namibia's Zambezi Region. Co-management and nature-based tourism often go hand in hand to drive conservation and economic development in SSA. However, the complementarity of the two strategies is controversially discussed in the literature. A mathematical optimization model was developed which represents the economy of a rural case study region and analyzes the trade-offs between nature conservation and development objectives. The model is based on survey data from 200 households collected in 2012. Two different modeling scenarios were developed. Results show that in the scenario describing unrestricted resource extraction, local communities mainly benefit from fishing and utilizing forest products. The current problem of overfishing is highlighted and would be further worsened by the absence of the angling tourism sector. Furthermore, important macro- and micronutrients are missing in the daily diets. In comparison, the scenario representing the social optimum, implying sustainably managed fish stocks and appropriate diets for community inhabitants, shows that community households increase agricultural diversification and shift livelihoods towards tourism employment. As long as appropriate dietary substitutes for fish are available, the overall welfare can be maintained. Model results indicate the high willingness to pay for fish of angling tourists compared to local consumers. Revealed marginal values provide information for developing sustainable regional management plans and guide values for development interventions. Nature-based tourism thus has the potential to improve livelihoods and stop overfishing. Chapter 3 examines the impact of aquaculture development on fish stocks and livelihoods in rural Namibia. Aquaculture is widely recognized as a way to reduce malnutrition and poverty. So far, research with respect to aquaculture has mainly focused on Asia, and the few studies available from SSA are predominantly ex-post partial analyses. A village Computable General Equilibrium (CGE) model was constructed to investigate whether aquaculture improves local livelihoods and simultaneously has the potential to counteract local overfishing. The model is applied to a rural case study region in Namibia's Zambezi Region where malnutrition, poverty and fish resource overexploitation pose current problems. A Social Accounting Matrix (SAM) from 2012 is used as a database for the analysis. The village CGE model shows that aquaculture is a viable livelihood activity improving household incomes and utility through labor reallocations. Furthermore, aquaculture can counteract malnutrition through increased fish consumption. Higher opportunity costs lead to households leaving the fisheries and switching to aquaculture. These substitution effects offer the possibility of reducing the pressure on local freshwater fish stocks. The results also predict that the price of fish from aquaculture is below the regional market price and thus more affordable for the poor. However, the subsistence fish harvest still exceeds the sustainability limit, and the simulation of a strict fish conservation policy leads to declining incomes and increasing deforestation. Policy makers can use the results to introduce aquaculture support programs in rural areas. The findings indicate that such interventions should take particular account of the poorest households, which are most dependent on fisheries. The derived opportunity costs provide information about payments that are necessary to make policy interventions acceptable for different household groups. Chapter 4 analyzes the impacts of introducing a small-scale papyrus briquetting business in rural Zambia. Papyrus is increasingly suggested as an alternative bioenergy source to reduce the pressure on forest ecosystems. However, there are few studies on the economic viability of papyrus wetlands and the benefits for local communities. A village CGE model was developed to examine whether papyrus harvesting and processing has the potential to improve local livelihoods and simultaneously counteract the pressure on local forest resources. The model is applied to a village in northern Zambia where overexploitation of forest resources to produce energy from firewood and charcoal poses a serious problem. The analysis is based on a SAM, which was constructed from survey data of 105 households collected in 2015. The model results show that papyrus briquettes are a possible alternative biofuel and that this technology of papyrus briquetting improves household income and utility through labor reallocations. Higher opportunity costs lead to households switching from firewood extraction and charcoal production activities to papyrus harvesting and processing for bioenergy production. Revealed group-specific opportunity costs of the CGE analysis represent the incentive price for households to stop deforestation. Replacing energy supplies from firewood and charcoal with papyrus briquettes results in substitution effects between forest land and wetland and thereby reduces the pressure on local forest resources. However, sustainable harvesting regimes are required to maintain papyrus as an alternative biofuel source. The CGE approach allows for an economy-wide ex-ante analysis at village level and can support management decisions to ensure the success of papyrus bioenergy interventions. Annex A contains a user manual for the construction of a SAM for a village economy. The methodology is well established at the national level. The procedure for developing national SAMs is extensively documented in literature. However, it can also be constructed for smaller economies, such as a village. Studies dealing with village SAMs are rare. In addition, there are hardly any guidelines for design. In order to complete this gap, theoretical principles and data requirements are discussed; a hypothetical village SAM is constructed by using numerical examples. Subsequently, the SAM of a real-world village case study from Zambia is analyzed. It is demonstrated how macroeconomic indicators can be calculated and microeconomic information obtained. Furthermore, a village SAM provides the database for scientific modeling approaches, such as optimization and CGE models, which are presented. Village SAMs are thus a useful management tool and support policy planning at local and regional level. ; Unterernährung, Armut und die nicht nachhaltige Ausbeutung natürlicher Ressourcen sind schwerwiegende Probleme in Subsahara-Afrika. Überfischung und Entwaldung schädigen nicht nur die Ökosysteme, sondern gefährden auch die Existenzgrundlage der ländlichen Wirtschaftsräume. Die Förderung von Naturtourismus, Aquakultur und Bioenergieproduktion aus Papyrusbriketts stellen Möglichkeiten zur Verbesserung dar. Co-Management gewinnt immer stärker an Bedeutung in Subsahara-Afrika, um Entwicklungspläne zu erstellen und umzusetzen. Es soll einen Rahmen schaffen, in dem Regierungen eng mit den wichtigsten Interessengruppen in dörflichen Gemeinden zusammenarbeiten, allerdings häufig mit begrenztem Erfolg. Namibia und Sambia werden in dieser Arbeit als Fallstudien verwendet, da trotz Co-Management Unterernährung, Armut und eine starke Ausbeutung der natürlichen Ressourcen offensichtliche Herausforderungen darstellen. Ein Modellierungsansatz kann die Auswirkungen verschiedener Politik- (oder Entwicklungs-)Programme ex-ante bewerten, um Handlungsempfehlungen abzuleiten. Quantitative Ansätze, wie die computergestützte mathematische Programmierung, bieten daher ein wichtiges Instrument zur Unterstützung der Politikplanung und Erarbeitung von Entwicklungsmöglichkeiten, da Simulationen auf die Realisierbarkeit und wahrscheinliche Akzeptanz von Politk- (oder Entwicklungs-)Programmen hinweisen können. Es besteht folglich ein hohes Interesse an computergestützten Modellen, um die Erstellung von Entwicklungs- und Managementplänen zu unterstützen. Die Literatur verweist zudem auf Forschungsbedarf für Naturtourismus, Aquakultur und Papyrusbriketts als Bioenergie in Subsahara-Afrika. Dieser Bedarf wird im Rahmen der Arbeit durch die Entwicklung computergestützter mathematischer Programmierungsmodelle adressiert. Vor diesem Hintergrund ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit, computergestützte mathematische Programmierungsmodelle zu entwickeln, um die Auswirkungen verschiedener Entwicklungsmöglichkeiten auf ländliche Ökonomien und die natürlichen Ressourcen in Subsahara-Afrika zu untersuchen. Als mögliche (Management-)Option wird der Naturtourismus und die Aquakultur am Beispiel Namibias und die Papyrusbrikettierung am Beispiel Sambias hervorgehoben. Im Einzelnen werden die folgenden Forschungsfragen aufgeworfen: (1) Verbessert der Naturtourismus die lokalen Lebensgrundlagen? (2) Hat der Naturtourismus das Potenzial, die Überfischung zu reduzieren? (3) Verbessert Aquakultur die lokalen Lebensgrundlagen? (4) Hat Aquakultur das Potenzial, die lokale Überfischung zu reduzieren? (5) Verbessert die Papyrusernte und -verarbeitung die lokalen Lebensgrundlagen? (6) Hat die Papyrusernte und -verarbeitung das Potenzial, den Druck auf die lokalen Waldressourcen zu reduzieren? Kapitel 2 untersucht die Auswirkungen des Naturtourismus auf die ländliche Entwicklung und den Naturschutz in Namibias Sambesi Region. Co-mangement und Naturtourismus gehen oft Hand in Hand, um den Naturerhalt und die ökonomische Entwicklung in Subsahara-Afrika zu fördern. Inwiefern sich diese beiden Strategien ergänzen, wird jedoch in der Literatur kontrovers diskutiert. Es wurde ein mathematisches Optimierungsmodell entwickelt, welches die Wirtschaft einer ländlichen Fallstudienregion repräsentiert und die Zielkonflikte zwischen Naturschutz und Entwicklungszielen untersucht. Die Datenbasis des Modells stellen Umfragedaten von 200 Haushalten aus dem Jahr 2012 dar. Es wurden zwei unterschiedliche Modellierungsszenarien entworfen. Die Ergebnisse zeigen, dass in dem Szenario der uneingeschränkten Ressourcenextraktion die lokalen Gemeinden hauptsächlich von der Fischerei und der Nutzung von Waldprodukten profitieren. Das derzeitige Problem der Überfischung wird aufgezeigt und würde durch das Fehlen des Angeltourismus noch weiter verschärft werden. Zudem zeigt die Simulation das Fehlen wichtiger Makro- und Mikronährstoffe in der täglichen Ernährung. Im Vergleich zu dieser, den Status quo repräsentierenden Modellierung zeigt das Szenario des sozialen Optimums, welches nachhaltig bewirtschaftete Fischbestände und eine angemessene Ernährung der Gemeindebewohner beinhaltet, dass die Haushalte der Gemeinde ihre landwirtschaftliche Diversifizierung erhöhen und ihre Lebensgrundlagen zugunsten von Tourismusbeschäftigungen verlagern. Solange geeignete Ernährungssubstitute für Fische zur Verfügung stehen, kann die allgemeine Wohlfahrt aufrechterhalten werden. Die Modellergebnisse zeigen die hohe Zahlungsbereitschaft für Fische von Angeltouristen im Vergleich zu lokalen Konsumenten. Aufgedeckte Marginalwerte liefern Informationen für die Entwicklung nachhaltiger regionaler Managementpläne und Richtwerte für Entwicklungsmaßnahmen. Naturtourismus hat somit das Potenzial, die Lebensgrundlagen zu verbessern und die Überfischung zu stoppen. Kapitel 3 behandelt die Auswirkungen der Entwicklung der Aquakultur auf die Fischbestände und Lebensgrundlagen im ländlichen Namibia. Aquakultur ist allgemein als eine Möglichkeit bekannt, Unterernährung und Armut zu reduzieren. Bisher hat sich die Forschung bezüglich dieses Themas hauptsächlich auf Asien konzentriert und die wenigen verfügbaren Studien aus Subsahara-Afrika sind überwiegend Ex-post-Teilanalysen. Daher wurde ein ländliches Gleichgewichtsmodell entwickelt, welches untersucht, ob Aquakultur die lokalen Lebensgrundlagen verbessert und gleichzeitig das Potenzial hat, der lokalen Überfischung entgegenzuwirken. Das Modell wird auf eine ländliche Fallstudienregion in der Sambesi Region Namibias angewendet, die von Unterernährung, Armut und Überfischung gekennzeichnet ist. Für die Analyse wird der Datensatz einer Sozialrechnungsmatrix aus dem Jahr 2012 verwendet. Das ländliche Gleichgewichtsmodell zeigt, dass Aquakultur eine realisierbare Aktivität zur Verbesserung des Einkommens und des Nutzens der Haushalte durch Arbeitsreallokationen ist. Darüber hinaus kann die Aquakultur der Unterernährung durch erhöhten Fischkonsum entgegenwirken. Höhere Opportunitätskosten führen dazu, dass Haushalte die Fischerei verlassen und zur Aquakultur wechseln. Diese Substitutionseffekte bieten die Möglichkeit, den Druck auf die lokalen Süßwasserfischbestände zu verringern. Die Ergebnisse prognostizieren zudem, dass der Preis für Fisch aus der Aquakultur unter dem regionalen Marktpreis liegt und somit für einkommensschwache Haushalte bezahlbar ist. Der Subsistenzfischfang übersteigt jedoch noch immer die Nachhaltigkeitsgrenze und die Simulation einer strengen Fischschutzpolitik führt zu sinkenden Einkommen und zunehmender Entwaldung. Politische Entscheidungsträger können diese Resultate nutzen, um Förderprogramme für Aquakultur in ländlichen Gebieten einzuführen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei diesen Maßnahmen insbesondere die ärmsten Haushalte, die am stärksten von der Fischerei abhängig sind, berücksichtigt werden sollten. Abgeleitete Opportunitätskosten geben Aufschluss über Zahlungen, die notwendig sind, um politische Interventionen für verschiedene Haushaltsgruppen akzeptabel zu gestalten. Kapitel 4 analysiert die Auswirkungen der Einführung eines Papyrusbrikettbetriebes im ländlichen Sambia. Papyrus wird zunehmend als eine alternative Bioenergiequelle vorgeschlagen, um den Druck auf die Waldökosysteme zu verringern. Es gibt jedoch nur wenige Studien über die Wirtschaftlichkeit von Papyrus-Feuchtgebieten und den Nutzen für die lokale Bevölkerung. Es wurde ein ländliches Gleichgewichtsmodell entwickelt, um zu untersuchen, ob die Ernte und Verarbeitung von Papyrus das Potenzial hat, die lokalen Lebensgrundlagen zu verbessern und gleichzeitig dem Druck auf die lokalen Waldressourcen entgegenzuwirken. Das Modell wird auf ein Dorf im Norden Sambias angewendet, wo die Ausbeutung der Wälder zur Energiegewinnung aus Feuerholz und Holzkohle ein schwerwiegendes Problem darstellt. Die Analyse verwendet eine Sozialrechnungsmatrix, die auf Erhebungsdaten von 105 Haushalten aus dem Jahr 2015 basiert. Die Modellergebnisse zeigen, dass Papyrusbriketts ein möglicher alternativer Biokraftstoff sind und dass diese Technologie der Papyrusbrikettierung das Einkommen und den Nutzen der Haushalte durch Arbeitsreallokationen verbessert. Höhere Opportunitätskosten führen dazu, dass die Haushalte von der Feuerholzgewinnung und Holzkohleproduktion auf die Papyrusernte und -verarbeitung zur Erzeugung von Bioenergie wechseln. Die aufgedeckten gruppenspezifischen Opportunitätskosten der Gleichgewichtsanalyse stellen einen Anreiz für Haushalte dar, die Entwaldung zu stoppen. Der Austausch von Energie aus Feuerholz und Holzkohle durch Papyrusbriketts führt zu Substitutionseffekten zwischen Waldfläche und Feuchtgebiet und entlastet damit die lokalen Waldressourcen. Um Papyrus als alternative Biokraftstoffquelle zu erhalten, sind jedoch nachhaltige Erntemethoden erforderlich. Der Gleichgewichtsansatz ermöglicht eine gesamtwirtschaftliche Ex-ante-Analyse auf Dorfebene und kann Managemententscheidungen unterstützen, um den Erfolg von Papyrus-Bioenergie-Interventionen sicherzustellen. Annex A beinhaltet ein Benutzerhandbuch für den Bau einer Sozialrechnungsmatrix einer ländlichen Ökonomie. Die Anwendung dieser Methodik ist auf nationaler Ebene bereits etabliert. Die Vorgehensweise zur Erstellung nationaler Sozialrechnungsmatrizen ist in der Literatur ausführlich dokumentiert. Sie kann aber auch für kleinere Ökonomien, wie ein Dorf, entwickelt werden. Studien, die sich mit dörflichen Sozialrechnungsmatrizen beschäftigen, sind selten. Zudem gibt es kaum Richtlinien zur Gestaltung. Um diese Lücke zu schließen, werden theoretische Grundlagen und Datenanforderungen diskutiert; eine hypothetische dörfliche Sozialrechnungsmatrix wird mit Hilfe numerischer Beispiele konstruiert. Anschließend wird eine Sozialrechnungsmatrix einer realen Dorf-Fallstudie aus Sambia analysiert. Es wird aufgezeigt, wie makroökonomische Indikatoren berechnet und mikroökonomische Informationen ermittelt werden können. Darüber hinaus wird erläutert, inwiefern eine dörfliche Sozialrechnungsmatrix die Datenbasis für wissenschaftliche Modellierungsansätze wie Optimierungs- und Gleichgewichtsmodelle bietet. Dörfliche Sozialrechnungsmatrizen sind somit ein nützliches Managementinstrument und unterstützen die Politikplanung auf lokaler und regionaler Ebene.

97% percent of the world's usable freshwater is stored as groundwater, which is a limited resource. Thus, its protection and management is a world-wide major societal, health-related, ecologic and economic concern. The constant demand for clean and safe drinking water is in direct conflict with social and economic land-use claims. Therefore, water managers are challenged to know (1) what kind of hazards exist within the water catchment, (2) how these hazards can be controlled and (3) knowing that they are controlled. Thus, water management shifts from fixed and thus passive wellhead delineation zones to active risk management. Despite this desired change, a clear definition on dealing with uncertainties in risk assessment and management for drinking water supply systems is still missing. Nevertheless, uncertainty analysis is an integral part of risk assessment. Also, national guidelines in the US promulgates cumulative probability distribution functions to assess confidence bounds, regarding the risk prediction. These uncertainties are, for example, a result of measurement error, model conceptualization and parameterization. Therefore, it is necessary to quantify uncertainty as part of risk assessment. Risk assessment addresses three questions (1) What can happen?, (2) What is the probability that it happens? and (3) What is the damage after it happens? Thus, in general risk is a combination of uncertainty and damage. Unfortunately, only few comprehensive risk concepts exist for drinking water supply systems that address risk from source to receptor, while considering uncertainty and physically-based modeling aspects. Modularized, transport-based and probabilistic risk quantification models coupled with a rational, and stakeholder-objective decision analysis framework for groundwater supply systems do not yet exist. Only with this type of comprehensive risk model, stakeholders are able to estimate risk at the receptor level most accurately. This supports stakeholders to take risk-informed, implementable, transparent, and evidence-based decisions in an uncertain environmental framework and pushes water governance to the next higher level. Therefore, this work presents a new methodological risk concept within a Bayesian framework to quantify and manage risk within groundwater resources for drinking water supply, utilizing smart decision analysis concepts based on multiple stakeholder-objectives. The risk concept is quantitative, flexible, probabilistic and physically-based. This quantitative risk assessment approach is superior to qualitative ones. For example, it allows the aggregation of hazard impacts, provide transparency due objectivity, and enable risk-informed management that is based on cardinal scale and economic concepts. Furthermore, the risk modeling framework is flexible that allows stakeholders to easily exchange single modules (compare fault-tree: nodes or events) with ready available software and modeling techniques in a plug and play mode. The probabilistic approach quantifies uncertainty and provides a prediction space of many possible outcomes, such that stakeholders can better evaluate the current risk situation. Especially in case of the present subsurface heterogeneity and the lack of knowledge about the structural distribution, it is indispensable to quantify uncertainty. In addition, uncertainty is reduced by Bayesian-based conditioning techniques (e.g., Bayesian GLUE), moving risk estimates closer to reality. Furthermore, the state-of-the-art transport-based model is able to calculate the cumulative hazard impact at the target objective as required by European Commission. The physically-based transport model allows aggregation of mass discharges across space, time and frequency. This enables risk managers to evaluate hazards more precisely as individual hazards are often deemed to be no risk, although contributing to the overall expected impact at the well. Therefore, hazard ranking across the catchment is available in a cumulative environmental setting. Thus, the risk quantification concept is able to provide valuable and indispensable information for water stakeholders that are quantitative, flexible, probabilistic and physically-based. Second, by admitting uncertainty and utilizing this type of risk framework stakeholders are able to take transparent, robust, rational, and risk-informed decisions. The risk framework is her applied to two test cases, one being of synthetic nature, the other being a well catchment that is located in southern Germany. ; 97% des weltweit verfügbaren Frischwassers liegt als Grundwasser vor. Grundwasser ist eine begrenzte Ressource. Daher sind dessen Schutz und Management ein vorrangiges Ziel von gesellschaftlicher, ökologischer und ökonomischer Relevanz. Die konstante Nachfrage nach sicherem und sauberem Trinkwasser steht im direkten Konflikt mit gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Landnutzungsansprüchen. Wassergebietsmanager sind daher stetig mit der Aufgabe konfrontiert, alle potenziellen Gefahren in einem Wasserschutzgebiet bestmöglich zu kennen, zu kontrollieren und zu beherrschen, so dass ein Wechsel vom Schutzgebietsmanagement hin zum aktiven Risikomanagement stattfindet. Trotz dieses angestrebten Wechsels fehlt in vielen Bereichen eine klare Definition zur Handhabung von Unsicherheiten. Unsicherheiten im Risikomanagementsystem treten beispielsweise bei der Parametrisierung von Modellvariablen, der Wahl des Simulationsmodells und Diskretisierungsansatzes, der mangelnden Kenntnis über die geologische Beschaffenheit des Untergrundes und der geringen Datengrundlage sowie dem menschlichen Handeln auf. Durch eine genauere Kenntnis des Systems, z.B. des Untergrunds, können die physikalischen Prozesse modell-technisch und mathematisch besser approximiert und damit die Unsicherheit reduziert werden. Eine Unsicherheitsanalyse ist damit ein integraler Bestandteil einer Risikoabschätzung. Diese versucht die drei Fragen (1)Was kann passieren?, (2)Wie wahrscheinlich ist es? und (3) Wie hoch ist das Schadensmaß, wenn es eintritt? zu beantworten. Leider existieren kaum umfassende systembezogene Konzepte für Brunneneinzugsgebiete, die Risiken von der Gefahrenquelle bis zum Schutzgut simulationsgestützt, probabilistisch und physikalisch basiert quantifizieren, und diese mit entscheidungstheoretischen Ansätzen koppeln, um die menschliche Entscheidungsvariabilität mit zu berücksichtigen. Somit ist bislang eine rationale und optimale Entscheidungsunterstützung unter Berücksichtigung der Risikowahrnehmung im Risikomanagement von Trinkwasser nicht möglich. Die Arbeit stellt daher ein robustes Risikomanagementsystem vor, welches eine probabilistisch-quantitative und physikalisch basierte Analyse des Rohwassers und damit eine Begrenzung von Gefährdungen in der Trinkwasserwirtschaft erlaubt. Die Arbeit basiert auf einem Bayes'schen Risikokonzept, um das Risiko in der Trinkwassergewinnung aus Grundwasser zu quantifizieren und mit Hilfe von robusten und neuen Entscheidungskonzepten in Abhängigkeit der unterschiedlichen Interessensziele zu steuern und zu minimieren. Der quantitative Risikoanalyseansatz ist den qualitativen Modellen überlegen, da das Modell zum Beispiel eine Aggregierung von Schäden am Empfänger auf einer Kardinalskala ermöglicht und somit den Gesamtschaden im Vergleich zu einer qualitativen Methode (Ordinalskala) genauer beziffert. Darüber hinaus erlaubt das vorgestellte quantitative Modell ein objektives, transparentes Risikomanagement und bietet in Verbindung mit ökonomischen Konzepten Risikomanagern ein wertvolles Entscheidungssystem. Das Risikomanagementsystem ist flexibel gestaltet, so dass einzelne Module im Risikomodell verhältnismäßig leicht ausgetauscht werden können (vergleiche Elemente und Knoten im Fehlerbaum). Dies ermöglicht die Verwendung des vorgestellten Risikosystems mit beliebig vorhandener Software und wenigen Daten. Der probabilistische Ansatz erlaubt die Quantifizierung der Modell- und Paramaterunsicherheit, so dass Risikomanager die aktuelle Risikosituation besser einschätzen können. Aufgrund der komplexen hydrogeologischen Struktur im Untergrund und dem Unwissen über deren genauen Verteilung (mangelnde Datenlage) unterliegen die Modellergebnisse der Transportmodellierung in Grundwassersystemen großen Unsicherheiten, welche quantifiziert werden und mit Hilfe von datengetriebenen Bayes'schen Kalibrierungstechniken (z.B. Bayes'sches GLUE) reduziert werden, so dass die Risikowerte näher an der Realität liegen. Zur Bestimmung des kumulativen Schadens werden Massenflüsse mit Hilfe des physikalisch-basierten Transportmodells über die Zeit, dem Ort und der Schadenshäufigkeit (Fehler-Frequenz) aggregiert. Diese genauere Bestimmung des Gesamtschadens erlaubt eine verbesserte Risikoabschätzung, insbesondere vor dem Hintergrund, dass häufig einzelne Gefährdungen als ungefährlich eingestuft werden, jedoch in ihrer Summe den Empfänger (hier Brunnen) beeinträchtigen. Insgesamt erlaubt die Arbeit eine genauere Analyse, Quantifizierung und bessere Begrenzung von kumulativen Risiken, eine zielgerichtete Einrichtung von Monitoringsystemen oder Brunnenschutzgebiete, Priorisierung von Gefährdungen, und ein szenario-basiertes optimales Risikomanagement. Im Vordergrund steht die methodisch-konzeptionelle Entwicklung des Risikoquantifizierung- und -managementsystems, flankiert von zwei Fallstudien. Als Risikowird das erwartete Nichteinhalten eines a-priori gesetzten Schwellenwertes definiert, das eine sichere und saubere Trinkwasserversorgung verhindert.

Im vergangenen Jahrzehnt haben im deutschen Heizungsmarkt einige neue Technologien Relevanz gewonnen. Allen voran sind in diesem Zusammenhang Wärmepumpen, Holzpelletheizungen sowie solarthermische Kollektoren zu nennen. Die vorliegende Dissertation wagt einen Ausblick in die kommenden Jahre bis 2025 und schätzt die zukünftige Entwicklung des deutschen Heizungsmarktes mit Hilfe eines mathematischen Simulationsmodells ab. Das Modell ist zweistufig aufgebaut: Ein Teil des Modells (ein konditionales multinomiales Logit-model) konzentriert sich auf die individuelle Entscheidung eines Haushaltes für ein spezielles Heizungssystem und basiert auf Umfragedaten. In diesem Modellteil wird die Bedeutung unterschiedlicher Merkmale der Heizungen sowie der Entscheider (also der Haushalte) quantifiziert. Der andere Teil gibt den Rahmen vor und bildet die Entwicklung des Bestands an Heizungssystemen sowie exogener Einflüsse, wie z.B. der Brennstoffpreise oder angewandter Politikinstrumente, ab. Aus den Ergebnissen der Modellierung ergibt sich, dass der Marktanteil elektrischer Wärmepumpen in den nächsten Jahren stark ansteigen wird. Dieser Anstieg geht auf Kosten eines deutlich sinkenden Anteils von Ölheizungen und stellt eine Fortsetzung und Intensivierung eines Trends dar, welcher bereits in den letzten Jahren sichtbar war. Im Neubausegment werden Wärmepumpen in den kommenden Jahren die Gasheizung als Marktführer ablösen. Aber auch im Gebäudebestand können sie bis 2025 einen Marktanteil von über 20% erreichen. Als hauptsächliche Treiber des Wärmepumpen-Booms konnten Lernkurveneffekte sowie relative Betriebskostenvorteile bei steigenden Preisen für Heizöl und Erdgas identifiziert werden. Aus der genannten Entwicklung resultiert ein stark ansteigender Strombedarf im Wärmemarkt: Trotz eines deutlichen Rückgangs der Zahl installierter Elektroheizungen steigt der jährliche Strombedarf um ca. 30 TWh bis zum Jahr 2025. Da Gasheizungen im Gebäudebestand nach wie vor das meistgewählte Heizungssystem sein werden, bleibt der Gasbedarf im Wärmemarkt nahezu konstant. Holzpelletheizungen können zwar auch ihren Marktanteil steigern, im Gegensatz zu Wärmepumpen verharren die jährlichen Verkaufszahlen aber auf dem Niveau der vergangenen Jahre. Pelletheizungen bleiben somit eine Nischentechnologie und werden im Jahr 2025 in etwas mehr als 2% der Haushalte verwendet. Solarthermische Energie zur Kesselunterstützung wird in ca. 15% der Fälle genutzt. Die jährlichen CO2-Emissionen im Wärmemarkt sinken um mehr als 25% im Vergleich zu 2009, was zu gleichen Teilen auf die aufgezeigte Entwicklung sowie auf einen exogen vorgegebenen Effizienzgewinn im Raumwärmebereich zurückgeführt werden kann. In einer Sensitivitätsanalyse sowie durch Anwendung einer innovativen Random-Walk-Methodik konnte weiterhin gezeigt werden, dass die aufgeführten Ergebnisse relativ robust und weitgehend unabhängig vom gewählten Brennstoffpreisszenario sind. ; In the past decade several new technologies appeared on the German heating market. The most important of these are electric heat pumps, wood pellet boilers and solar thermal panels. The present dissertation tries to answer the question about the future development of the heating market by applying a mathematical simulation model. This model basically comprises of two parts: a decision model with a focus on the individual heating system decision and a market model which sets the frame. The decision model is a conditional multinomial logit model and is fitted based on survey data. It quantifies the influence of characteristics of the different heating systems as well as of the deciders, i.e. the households, on the heating system decision. The market model is a vintage stock model of heating systems in Germany and includes the modelling of further exogenous developments, like fuel prices and the application of policy instruments. The model results show that the market share of electric heat pumps will increase sharply in the years to come. This development constitutes an intensification of a trend already visible in the past years and is at the cost of decreasing numbers of fuel oil heating systems. In the segment of newly constructed buildings, heat pumps will displace gas condensing boilers as market leader. But also in existing buildings they will become an important player with more than 20% of market share in 2025. As main driver of the success of heat pumps, learning effects could be identified. Moreover, operational costs are favourable for heat pumps if prices for fuel oil and natural gas increase. Although electric resistance heating systems will be nearly completely phased out by 2025, demand for electricity in the heating market will be about 30 TWh higher than today, which will have significant impacts on the electricity market. As gas heating systems remain the most often chosen technology in existing buildings, yearly demand for natural gas in the heating market remains nearly constant. Although wood pellet heating systems can steadily increase their market share as well, their annual sales figures remain constantly on the level of the past years. Thus, wood pellet heating systems remain a niche technology with slightly more than 2% market share in 2025. Solar thermal boiler support is used in about 15% of all heating systems in 2025 and distributes more or less evenly to the different boiler types. As a consequence of the presented technological development, yearly CO2 emissions in the heating market will decrease strongly by more than 25% by 2025. Half of this value can be explained by exogenous energy efficiency gains of buildings, the other 50% by technological change and a decreasing CO2 intensity of electricity. In a sensitivity analysis, the presented results proved relatively robust. Furthermore, by applying an innovative random-walk methodology the author could show that the presented results are also quite stable across different fuel price scenarios.

Aufgrund des Skaleneffekts (economy of scale), sollte ein einzelner Nutzer eine Kooperation eingehen, um Kosten zu sparen. Eine Herausforderung für die Mitglieder einer Kooperation ist, dass sich alle einigen müssen, wie viel jeder bezahlen muss. Ansonsten kann die Zusammenarbeit nicht realisiert werden. Diese Dissertation befasst sich mit der fairen Verteilung der gemeinsamen Kosten einer Gruppe auf ihre Mitglieder. Die Arbeit verbindet kooperative Spieltheorie und state-of-the-art Algorithmen aus der linearen und ganzzahligen Optimierung, um faire Allokationen zu definieren und sie numerisch für große reale Anwendungen zu berechnen. Unsere Ansätze übertreffen traditionelle Kostenverteilungsmethoden im Sinne der Fairness und der Nutzerzufriedenheit. Kooperative Spieltheorie analysiert die möglichen Gruppierungen von Einzelnen, um Koalitionen zu bilden. Es bietet mathematische Werkzeuge um faire Preise in dem Sinne zu bestimmen, dass der Zusammenbruch der großen Koalition verhindert und die Stabilität erhöht wird. Bei der aktuellen Definition des Kostenallokationsspiels werden weder mögliche Koalitionen von Spielern beschränkt noch Bedingungen an die Preise gestellt, wie es häufig in der realen Anwendungen erforderlich ist. Unsere Verallgemeinerung bringt das Kostenallokationsspiel-Modell einen Schritt näher an die Praxis. Basierend auf unserer Definition, präsentieren und diskutieren wir in dieser Arbeit verschiedene mathematische Konzepte, die Fairness modellieren. Diese These behandelt auch die Frage, ob eine "beste Kostenallokation" existiert, die Menschen präferieren. Es ist bekannt, dass multikriterielle Optimierungsprobleme oftmals keine optimale Lösung besitzen, die gleichzeitig jede Zielfunktion optimiert. Es gibt kein "perfektes" Wahlverfahren, welches die fünf grundlegenden "social choice procedures" aus dem Buch "Mathematics and Politics. Strategy, Voting, Power and Proof" von Taylor et al. erfüllt. Gleiches gilt für das Kostenallokationsproblem. Es gibt keine Kostenallokation, die jede unserer gewünschten Eigenschaften erfüllt. Unsere Spiel-theoretischen Konzepte versuchen den Grad der axiomatischen Verletzung zu minimieren und erhalten gleichzeitig die Gültigkeit einiger wichtiger Eigenschaften. Aus Sicht der Komplexität ist es NP-schwer, die Allokationen, die auf den Spiel-theoretischen Konzepten basieren, zu berechnen. Die größte Herausforderung ist, dass es exponentiell viele mögliche Koalitionen gibt. Allerdings kann diese Schwierigkeit überwunden werden, indem man "constraint generation"-Ansätze benutzt. Einige primale und duale Heuristiken werden vorgestellt, um die Laufzeit des Separierungsproblems zu verringern. Basierend auf diesen Techniken können wir unsere Anwendungen lösen, deren Größen von klein mit 4 Spielern, bis mittel mit 18 Spielern, und groß mit 85 Spielern und 2^{85}-1 möglichen Koalitionen variieren. Durch Rechenergebnisse zeigen wir die Ungerechtigkeit der traditionellen Allokationen. Betrachten wir beispielsweise das Ticketpreis-Problem des niederländischen IC Schienennetzes. Der aktuelle Entfernungstarif resultiert in einer Situation, bei der die Passagiere in der zentralen Region des Landes über 25% mehr zahlen im Vergleich zu den ihnen entstehenden Kosten und dieser Überschuss subventioniert einige andere Bahn-Verbindungen, das ist absolut nicht fair. Im Gegensatz dazu senken unsere Spiel-theoretischen Preise diese Ungerechtigkeit und erhöhen den Anreiz für Spieler in der großen Koalition zu bleiben. ; Due to economy of scale, it is suggested that individual users, in order to save costs, should join a cooperation rather than acting on their own. However, a challenge for individuals when cooperating with others is that every member of the cooperation has to agree on how to allocate the common costs among members, otherwise the cooperation cannot be realised. Taken this issue into account, we set the objective of our thesis in investigating the issue of fair allocations of common costs among users in a cooperation. This thesis combines cooperative game theory and state-of-the-art algorithms from linear and integer programming in order to define fair cost allocations and calculate them numerically for large real-world applications. Our approaches outclasse traditional cost allocation methods in terms of fairness and users' satisfaction. Cooperative game theory analyzes the possible grouping of individuals to form their coalitions. It provides mathematical tools to understand fair prices in the sense that a fair price prevents the collapse of the grand coalition and increases the stability of the cooperation. The current definition of cost allocation game does not allow us to restrict the set of possible coalitions of players and to set conditions on the output prices, which often occur in real-world applications. Our generalization bring the cost allocation game model a step closer to practice. Based on our definition, we present and discuss in the thesis several mathematical concepts, which model fairness. This thesis also considers the question of whether there exists a "best" cost allocation, which people naturally like to have. It is well-known that multicriteria optimization problems often do not have "the optimal solution" that simultaneously optimizes each objective to its optimal value. There is also no "perfect" voting-system which can satisfy all the five simple, essential social choice procedures presented in the book "Mathematics and Politics. Strategy, Voting, Power and Proof" of Taylor et al. Similarly, the cost allocation problem is shown to experience the same problem. In particular, there is no cost allocation which can satisfy all of our desired properties, which are coherent and seem to be reasonable or even indispensable. Our game theoretical concepts try to minimize the degree of axiomatic violation while the validity of some most important properties is kept. From the complexity point of view, it is NP-hard to calculate the allocations which are based on the considered game theoretical concepts. The hardest challenge is that we must take into account the exponential number of the possible coalitions. However, this difficulty can be overcome by using constraint generation approaches. Several primal and dual heuristics are constructed in order to decrease the solving time of the separation problem. Based on these techniques, we are able to solve our applications, whose sizes vary from small with 4 players, to medium with 18 players, and even large with 85 players and 2^{85}-1 possible coalitions. Via computational results, we show the unfairness of traditional cost allocations. For example, for the ticket pricing problem of the Dutch IC railway network, the current distance tariff results in a situation where the passengers in the central region of the country pay over 25% more than the costs they incur and these excess payments subsidize operations elsewhere, which is absolutely not fair. In contrast, our game theory based prices decrease this unfairness and increase the incentive to stay in the grand coalition for players.